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INTRODUCCIÓN AL CONFORMADO POR MOLDEO

El moldeo, como método de confonnación de los metales, data de la más remota antigüedad. Parece ser que 4000 años a de J. C. se obtenían ya puntas de flecha de cobre fundido. Posterionnente los Sumerios, unos 3100 años a de J. C. obtenían piezas moldeadas en bronce. En Egipto y Mesopotamia existe la evidencia de que se empleó el método de la cera perdida para obtener piezas pequeñas moldeadas. Ejemplos notables por su tamaño de utilización de técnicas de fundición son las columnas de bronce del templo de Salomón. El moldeo en arena tal vez lo emplearon por primera vez los chinos hacia el año 800 a de J. C.

Por lo antiguo de su origen, cabría esperar que los métodos de fundición hubiesen evolucionado como los demás y se hallasen entre los más adelantados de la Ingeniería; sin embargo no ha ocurrido así. El motivo es que estos métodos se han considerado hasta hace poco como un arte donado por Dios, guardado celosamente en secreto y transmitido por los gremios del oficio o por grupos familiares.

Hasta el siglo pasado la tecnología de la fundición había progresado muy poco, y el éxito o el fracaso de su práctica dependía más del arte o práctica del fundidor que de la aplicación de las pocas reglas elementales que se transmitían de padres a hijos o de maestros a discípulos.

Sólo desde hace unos años se ha comenzado a emplear el método científico en los procesos de moldeo y la fundición ha dejado de ser un arte para transformarse en ciencia Esto ha hecho que posible el control de las primeras materias, el conocimiento de los cambios, influencias y reacciones de los materiales durante el proceso y, posteriormente, la composición y cualidades fisicas de las piezas terminadas. Lo que ha traído como consecuencia nuevos métodos para la obtención de piezas por fundición con más rapidez, mayor economía y mayor precisión de medidas, hasta el punto de hacer innecesaria la mecanización posterior en muchas piezas. Todo esto requiere amplios conocimientos de Química, Termología, Mecánica de fluidos, Metalurgia fisica, Resistencia de materiales, Dibujo industrial, etc., al mismo tiempo que una gran experiencia y capacidad de imaginación para aprovecharlos según convenga

El moldeo (también llamado fundición o colada) es un proceso de confonnación sin arranque de viruta, basado en ]a fusión de metales. Consiste en una serie de operaciones mediante las cuales se obtiene un hueco o molde con arena, metal o material refractario, que reproduce la forma de la pieza que se desea fabricar, en el cual se vierte o cuela el metal fundido dejándole enfriar hasta que solidifica completamente.

Los moldes de arena se desmoronan e inutilizan en cada colada (moldes perdidos). En la práctica actual de la fundición, además de los moldes de arena, se emplean también moldes de materiales refractarios (semipermanentes) y IDO ldes metálicos o coquillos (moldes permanentes)

0.1

Confonnado por moldeo

en los que se obtienen gran número de piezas con elevada exactitud. Si el moldeo es de precisión, las piezas resultan ya con sus dimensiones finales; en caso contrario se precisa mecanizar algunas de sus partes, para lo cual hay que prever creces para el mecanizado.

La principal ventaja de la fundición, como proceso tecnológico de conformación de metales, consiste en que con su ayuda se pueden fabricar, con facilidad y economía, piezas de fonnas muy complicadas (bloques de cilindros, culatas de motores de explosión, carburadores, bancadas de máquinas herramientas, etc.) imposibles o muy dificiles de obtener con otros métodos. Permite además el empleo de metales y aleaciones que no son aptos para la conformación por moldeo o soldadura; por ejemplo, la fundición gris.

La conformación por moldeo requiere en general (pero, sobre todo, en el moldeo en arena) una serie de operaciones que se pueden resumir en la siguiente figura.

T aler de modelos

- - 1

I Sección de moldeo

- - -,

L _______ .J

L _________ ~ Sección de fusión Sección de prepaJ~ de arenas

Sección de ~a y desbaIbado

0.2 Universidad de Málaga

TEMA 1

MODELOS Y MEZCLAS EN EL MOLDEO DE PIEZAS

MODELOS PARA PIEZAS FUNDIDAS

Generalidades.

A pesar de la gran competencia con otros procedimientos de producción, en las fabricaciones más diversas se obtienen por procedimientos nonnales de fundición, una cantidad importantísma de piezas que requieren la construcción de modelos. La construcción de modelos, a veces poco conocida, tanto del fundidor que los emplea como utillaje, como el mecánico que los construye, está raramente definida por una especificación técnica completa y bien estudiada, que no pocas veces evitaría errores de interpretación y discusiones entre fundidores y modelistas.

El oficio de modelista está íntimamente vinculado con el de fundidor prácticamente en todas las operaciones y fundamentalmente en el moldeado.

Para hacer una pieza hay que preparar, con materiales adecuados, un molde o reproducción en negativo de la misma y rellenar este molde con metal fundido. El metal, al enfriarse y solidificarse, tiene la configuración exacta del molde, aunque sus dimensiones son algo menores, como se verá más adelante.

Para obtener el molde hay que emplear un modelo, que es por regla general una fiel reproducción del la pieza (modelos al natural). Sin embargo, en algunos casos, como en el de los modelos simplificados, no parecen tener ninguna relación (esqueletos, terrajas, plantillas).

El modelo es un factor de mucha importancia en el proceso de fabricación y transmite sus características al producto final; por esta razón debe poseer unas propiedades determinadas, que iremos estudiando en el transcurso de la presente lección.

Requisitos que deben reunir los modelos.

Facilidad de desmodelado: Hecho el molde, esto es, rodeado el modelo de los materiales de moldeo, hay que abrirlo, para lo cual se hacen los moldes en dos o más partes separables. El modelo debe ser de fácil extracción. El proyectista y el diseñador deben tener en cuenta esta circunstancia y establecer en sus diseños el ángulo de salida conveniente.

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1.1

Confunnado por moldeo

En la tabla 1 están indicados los valores de la salida a en mm o en tanto por ciento, y los ángulos de salida aconsejables.

Tabla L Valores aconsejables para la salida

Altura del a modelo [mm] [mm]

<40 0.5

40-60 0.75

60-120 1

120-160 1.5

160-200 1.75

200-250 2

250-300 2.5

300-400 3

400-500 3.5

>500 4

Contracción: Cuando el metal liquido penetra en el molde comienza a enfriarse y se solidifica; al reproducir la fonna del molde en el cual ha sido colocado tendrá unas dimensiones algo menores (fig. 1.2).

Teniendo en cuenta este fenómeno, el modelo debe construirse de acuerdo con el grado de contracción del metal que se emplea en la colada. La tabla 11 indica los valores medios de contracción de fundición de las aleaciones más corrientes.

a (l

[%] [0 ]

1.25 1'30"

1.8-1.2 l'

1.7-0.8 40"

1.25-0.9 40"

1.1-0.9 40"

1-0.8 30"

1-0.8 30"

1-0.75 30"

0.9-0.8 30"

<0.8 30"

A

B e l< , ,~:-----. -........ . F1 . I • : ~._ •. :f: . " .": ... l. -! ';; . . " ..... t 0" . . t·.· ·.· . I

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modelo de dimensiones A X • X e deja en la arena una huella o hueco .de iauaJes dimensiones <.(\le el metal rellenará; pero al enfriane. por efeclo de Ja conluceíón asumir' las dimeasio-

ReS a X .. X c. menores.


Modelos y mezclas en el moldeo de piezas

Tabla 11 Contracciones lineales medias de fundiciones de las aleaciones más corrientes.

Dimensiones del modelo Aleación Contracción

piezas macizas piezas con machos [%oommJm] [mm] fmml

Fundición gris hasta 600 hasta 600 10 de 630 a 1200 de 630 a 920 8.5 más de 1200 más de 920 7

Fundición gris de hasta 600 hasta 600 13 gran resistencia de 630 a 1200 de 630 a 920 10.5

más de 1200 más de 920 8.5

Fundición blanca 15 ... 16 colada en arena

Fundición blanca 18 colada en coquilla

Fundición maleable espesores alrededor de: 3mm 13

10mm 10 20mm 7

Acero hasta 600 hasta 450 20 de 630 a 1800 de 480 a 1200 15.5 más de 1800 de 1220 a 1675 13

más de 1675 JI

Bonce mecánico con 14 10% de estaño

Latón con 37% de 16 Zinc

Latón con 40010 de 18 Zinc

Aleaciones de II ... 13 ... 14 magnesio

Universidad de Málaga 1.3

Conformado por moldeo

Metal blanco 2 ... 3 antifricción (aleación de plomo y estafio)

Aluminio y sus piezas piezas pequeñas 13 ... 15 aleaciones pequeñas pie2llS medanas 12 ... 13

piezas pie2llS grandes 11 ... 12 medanas piezas grandes

lA Universidad de Málaga

Modelos y mezclas en el moldeo de pie23S

Útiles: Los modelos deben ser adecuados a los mecanizados y al uso que habrán de darse a las piezas. Si una pieza ha de emplearse en bruto, es decir, tal como queda después de desbarbada y limpia, el modelo no precisa una preparación especial. Pero si la pieza ha de ser mecanizada en una o más superficies, debe darse al modelo un espesor suplementario o de mecanización. que suele estar comprendido entre los 3 y 8 mm, aunque en las piezas de precisión puede quedar reducido a unas pocas décimas, mientras que en las piezas grandes (especialmente de acero) puede alcanzar los cm.

Clasificación de los modelos.

En la superficie qu~ haya de ser me\;anizada deber' dejarse cierto espesor suple

mentario de metal.

Los modelos de que hemos hablado para dar un ejemplo de sus propiedades fundamentales, son los modelos externos, por cuanto sirven para reproducir la forma exterior de las piezas que se desean obtener. Pero si hubiese que reproducir mediante fusión la pieza de la figura 1.4, y sólo se dispusiese del modelo externo, obtendríamos un molde que, relleno de metal, nos daría una pieza maciza, cuando la que tendríamos que fabricar es hueca.

Claro está que, para obtener el hueco en la pieza, será necesario otro modelo especial llamado macho o noyo.

El molde, en este caso, tendrá el aspecto de la figura 1.5; el metal líquido rellenará solamente el espacio libre entre la huella del modelo y el macho, y la pieza resultará hueca.

d

Pina de fundicl6e .. modelo 11. con macho .. realizado en J. caja de DO)'OS ~. de

\IR cilindro buecoo.

Fig. 1.4

Moldeo de Ja pieza anterior • punto de cerrar la caja. ~rvex l. posici6ft del

1IUICbo.

Fig. 1.5



Otra clasificación de los modelos puede ser la siguiente:

1) La pieza a obtener es maciza y presenta una sección de dimensiones máximas respecto a cualquier otra que le sea paralela. Tendremos entonces:

- Modelos al natural, enteros. - Modelos al natural, divididos en dos o más partes;

éstos son, por regla general, más prácticos que los precedentes, por cuanto para obtener el molde no hace falta preparar una falsa caja que sostenga el modelo, sino que basta con apoyar una parte del mismo modelo sobre un tablero o placa de moldeo, si la partición se hizo por un plano.

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a .-•

a lí2!P±

2) La pieza a obtener, a pesar de presentar una sección máxima respecto a cualquier otra que le sea paralela, es hueca; en este caso el modelo puede ser todavía entero o dividido en dos o más partes, pero debe comprender una o más cajas de macho, es decir, modelos especiales que sirven para el moldeo de la forma interior de la pieza.

Naturalmente, los moldes deben proveerse de huellas adecuadas para apoyar y centrar el macho; en el modelo se disponen por consiguiente salientes llamados portadas, entregas o marcas, que dejan en el molde los huecos destinados a recibir y sostener el macho.

3) La pieza a obtener, llena o hueca, no presenta una sección máxima respecto a cualquier otra que le sea paralela, existiendo una o varias contrasalidas para la operación de desmodelado.



Hg. 1.7

Otra clasificación de los modelos se basa en los materiales empleados en su construcción:

1) Modelos de madera, muy baratos, de fabricación rápida, pero muy sensibles a la acción atmosférica, defonnables, poco duraderos. Son adecuados para el mo Ideo de una o pocas piezas. Los modelos grandes sólo pueden construirse de madera por razones de economía.

2) Modelos metálicos, menos deformables, más duraderos, y muy adecuados para grandes series de piezas pequeñas o de tamaño medio, o para series repetidas en largos intervalos de tiempo.

3) Modelos de resinas sintéticas, cera, cemento, yeso, etc.

La elección del material para el modelo se realiza teniendo en cuenta el peso, la facilidad de trabajo, la inoxidabilidad, las disponibilidades de materias primas, el número de piezas a obtener, el sistema de moldeo, el costo, etc.

Por otra parte, para facilitar el moldeo a máquina se utilizan también las placas-modelo, que son modelos incorporados a una base de apoyo, puediendo ser de tres tipos:

a) Simples, cuando el modelo va fijado sobre una sola cara de placa Las dos mitades en la misma placa (fig. 1.11 a).

b) Reversibles, cuando las dos mitades de un modelo van aplicadas a las dos caras opuestas de una misma placa (fig. 1.11 b).

c) De dos caras, cuando las dos mitades de un modelo van aplicadas cada una a su propia placa (fig. 1.11 c).

Caja de machos.

Placa modelo reversible

w' :dC . I I r\ .

(a) .6lmuIz4*t I t-d --; i--d-;

Placa modelo simple

Embudo de MlIzaruta coJada Mazarota ....... ,.

Molde para dos piezas

Fig. 1.11

Cuando para la solución del moldeado se haya previsto machos, tanto internos como externos, es preciso disponer en el modelo de las correspondientes portadas. Las mismas deben ser algo cónicas o troncopiramidales, dándoles a las del modelo unas décimas de milímetros de más respecto a las mismas en las cajas de machos, para facilitar la colocación.



A menudo la utilización del macho no responde sólo a la necesidad de crear huecos o entrantes, sino también a la de efectuar moldeos complicados con medios sencillos, hacer resaltar partes delicadas en los modelos grandes, reforzar los modelos delicados que, sin esta precaución, resultarían frágiles o deformables y evitar grandes salidas incompatibles con la naturaleza de la pieza.

La figura 1.13 representa una delgada tapa a para fundir en aluminio; el modelo a toda vista resultaría frágil; se construirá, por tanto, el modelo b, macizo, y la caja de machos c. El modelo resultará rígido y más duradero, y las piezas obtenidas serán más exactas.

La figura 1.14 representa en a un sector de engranaje que hay que fundir en hierro, con los dientes en bruto. Si los dientes se obtubiesen directamente con el modelo, para hacer posible el desmodelado, habría que darles una salida adecuada, con lo cual resultarían cónicos, por ligeramente que fuese. Para evitarlo se construirá el modelos como en b, es decir, con la marca de macho c, y se preparará la caja de noyos d para un cierto número de dientes, al objeto de obtener un molde donde los dientes, que no tendrán salida vertical, y resultarán cilíndricos.

Fig. 1.13 Fig. 1.14

ARENAS Y MEZCLAS PARA EL MOLDEO DE PIEZAS

Generalidades.

Uno de los principales procedimientos para el colado de piezas es el producir el negativo de las mismas en los llamados moldes perdidos (sólo se utilizan una vez); deben poseer una serie de cualidades que son inherentes a las misiones que tienen que cumplir:

1) Ser plásticos 2) Tener cohesión y resistencia, para poder reproducir y conservar la forma obtenida al



extraer el modelo. 3) Resistir la acción de altas temperaturas, es decir, ser refractarios. 4) Permitir la evacuación rápida del aire contenido en el molde y de los gases que se producen en el acto de la colada, por la acción del calor sobre el mismo molde, es decir, deben tener permeabilidad. 5) Disgregarse fiícilmente para pennitir la extracción y el pulimento de la pieza, es decir, deben ser disgregables.

Los materiales dotados de estas cualidades, que se encuentran en la naturaleza, son las arenas de fundición, constituídas por granos de cuarzo (bióxido de silicio, Si02, muy refractario) y por la arcilla (silicato hidratado de aluminio, cuya fórmula aproximada es: 2Si02·Al20 3·2H20), que es el elemento de unión y confiere plasticidad y disgregabilidad al molde; la estructura granular propia de la arena asegura la permeabilidad.

Una primera clasificación de las arenas puede basarse en su contenido de arcilla; se distinguen cuatro clases:

1) Arenas arcillosas o tierras grasas, cuyo contenido de arcilla es superior al 18%. 2) Arena arcillosas o tierras semigrasas, cuyo contenido de arcilla va del 8 al 18%. 3) Arena arcillosas o tierras magras, cuyo contenido de arcilla va del 5 al 8%. 3) Arenas silíceas, cuyo contenido de arcilla es inferior al 5%.

En este último caso, la arcilla está considerada como una impureza.

Las arenas naturales tienen el inconveniente de ser muy irregulares en su composición, y por tanto en sus propiedades. Por otra parte, el constante aumento de las exigencias, en cuanto a calidad, de las piezas coladas y el uso, cada vez más extendido, de instalaciones mecánicas y automáticas de preparación de las arenas, están desplazando definitivamente el empleo de las arenas naturales, por las denominadas arenas sintéticas o aglomeradas, obtenidas mezclando sílice pura o casi pura con una serie de aglomerantes.

Aglomerantes y aglutinantes.

Los aglutinantes adoptados para la preparación de las arenas de moldeo y de las arenas para machos, o para reforzar arenas arcillosas naturales (dando origen a la arena semiaglomerada), pueden clasificarse en:

1) Aglutinantes inorgánicos de tipo arcilloso: arcillas y bentonitas. 2) Aglutinantes inorgánicos cementosos: cemento y silicatos. 3) Aglutinantes orgánicos: cereales, liquina, melaza, alquitrán, resina y aceites.

1) La bentonita se diferencia de la arcilla en que tiene una capacidad de absorción mucho más elevada (en el agua se hincha hasta 16 veces su volumen primitivo), y su poder aglutinante es 2 a 7 veces mayor que el de la arcilla.

La bentonita se emplea en una proporción del 2 al 4% del peso de arena (seca, se entiende); se añade después del 3 al 4% de agua y se amasa durante 5 a 15 minutos; se puede



introducir también en la mezcla un fijador de la humedad, dextrina, por ejemplo, en la proporción de 1 al 2%.

2) Entre los aglutinantes inorgánicos cementosos podemos citar el cemento portland, que se emplea en la proporción del 8 all 0%, en mezcla subhidratada (8% de agua) con arena silicea En los moldes confeccionados con arena aglomerada con cemento, el endurecimiento se obtiene a la temperatura ambiente por el fenómeno del fraguado del cemento.

Consideraciones similares se pueden hacer a propósito del silicato de sodio que, por otra parte, altera sensiblemente la permeabilidad y el punto de sinterización o vitrificación de la mezcla

El efecto aglutinante del silicato de sodio es debido a su descomposición y a la formación, por la acción del CO2 del aire, de carbonato y sílice coloidal. La disgregabilidad de la mezcla se facilita afiadiéndole serrín o harina de madera (aproximadamente un 2%).

Otro tipo de aglutinante que se ha difundido mucho, especialmente en el campo de la micro fusión (moldeo de precisión), es el silicato de etilo.

3) Casi todos los aglutinantes orgánicos aumentan la cohesión y resistencia de la arena verde y arden a baja temperatura. Se adicionan a la arena silícea en cantidades que van del 1 al 3 %, Y pueden ser de diversos tipos.

Del grupo de los aglutinantes cereales citaremos la dextrina, la cual se extrae del almidón de los granos.

La dextrina se afiade en la proporción del 2 al 2.5%, con un 2% de agua; se obtienen cohesiones en verde de 35 a 45 g/cm2 y cohesiones en seco de 36 a 38 kg/cm2

• Los machos han de cocerse de 180 a 200 ° C durante 2 a 4 horas.

Entre las resinas naturales recordemos la de pino, que se extrae con solventes de la madera o tratando al vapor la misma madera finamente triturada. De las resinas sintéticas, citaremos una categoría especial, la de las resinas termoendurecibles, que, a diferencia de las otras, en vez de ablandarse con el calentamiento y endurecerse con el enfriamiento sucesivo, se endurecen de modo permanente con exposiciones a temperaturas relativamente bajas de 100 a 150°C.

Los aceites se emplean especialmente en la preparación de arena para noyos. El prototipo de esta categoría es el aceite de linaza

Los aceites confieren escasa cohesión a las arenas verdes y, en general, es necesario emplearlos juntamente con otros aglutinantes (dextrina o arcilla). Dan gran resistencia en seco al óxidarse en el estufado.

Se afiaden en la proporción del 1.5 al 2%, con un 2% de agua, obteniéndose cohesiones de 30 a 35 g/cm2 en verde y de 45 a 50 kg/cm2 en seco. Algunas veces se substituye un 0.5% de aceite por un 1 % de arcilla o de dextrina para mejorar las cohesiones en verde (debido a que fluidifican mucho la mezcla). Se cuece de 220° a 240°C (2 a 4 horas).



Caracteristicas fisico-quimicas de la arena.

Veamos cómo las características intrínsecas de la arena, esto es:

a) análisis químico, b) contenido arcilloso, c) dimensión de los granos y su distribución, y d) forma de los granos,

tienen una influencia directa sobre las propiedades técnicas de la misma arena.

a) Análisis químico. En las arenas arcillosas naturales, más que el análisis químico propiamente dicho, interesa el análisis racional, que tiende a establecer la composición de las arenas en su contenido de cuarzo, arcilla y feldespato.

Es evidente la importancia de este análisis, que permite preveer la refractariedad y la cohesión de las arenas sujetas a examen.

b) Determinación del contenido en arcilla. Se realiza con un levigador .

c) Tamaño y distribución de los granos. Para determinar el tamaño de los granos de una arena se efectúa el análisis granulométrico. Para este objetivo se procede, previamente, a la separación de los materiales arcillosos por medio de la levigación, después de lo cual el residuo lavado, compuesto solamente de granos de sílice, se deja secar, se pesa (100 g, por ejemplo) y se hace pasar a través de una serie de cedazos metálicos de mallas decrecientes. Se pesan las cantidades de arena contenidas en cada cedazo y se establece el reparto porcentual de los granos, que puede representarse en un diagrama similar a los de las figuras siguientes.

.A

f---------

Levigador ~

,;.:.;.;.~.c o'

',' ,'tr.; :,--"

~ Ensayos sobre arenas

Las series unificadas de cedazos más usadas son las americanas de la A.F.S. (American Foundrymen's Society), constituida por once cedazos numerados correlativamente, cada uno de los cuales se caracteriza por un determinado tamaño de malla, y las Fischer, compuestas de siete cedazos correspondientes a las normas alemanas DIN.

Serie AFS



Número de Apertura Factor cedazo de malla a

6 3.36 3 12 1.68 5 20 0.84 10 30 0.59 20 40 0.42 30 50 0.297 40 70 0.210 50 100 0.149 70 140 0.105 100 200 0.074 140 270 0.053 200

fondo - 300

Según esto, las arenas se clasifican como sigue:

Arena muy gruesa: índice AF.S. inferior a 18 (granos comprendidos entre 1 y 2 mm). Arena gruesa: índice AF.S. comprendido entre 18 y 35 (granos comprendidos entre 0.5 y 1 mm). Arena media: índice AF.S. comprendido entre 35 y 60 (granos comprendidos entre 0.25 y 0.5 mm). Arena fina: índice AF.S. comprendido entre 60 y 150 (granos comprendidos entre 0.10 y 0.25 mm). Arena finísima: índice AF.S. superior a 150 (granos inferiores a 0.10 mm).

El análisis granulo métrico nada indica acerca de la repartición de los granos en cada grupo contenido en un solo cedazo. Por consiguiente, dos arenas de igual granulometria pueden, en realidad, estar constituidas por granos de tamaños distintos.

Sin embargo, el índice de grosor mantiene su importancia porque sirve para juzgar una arena en relación con las exigencias de la superficie de la pieza que habrá que fundir.

Para mostrar esto se va a presentar el siguiente ejemplo, donde dos arenas de composición muy diferente dan un índice de grosor similar.



'" '" M M

I !

'lO ,. M • .. 10

• .. M 30

• 28

1. l. • o

• • .. ,. •• m • 28 .. ~ 1 • DO 12 • ,. 1 .. - 11 • ,. 1 .. -Generalmente, para afirmar el valor del índice de grosor suele añadirse la premisa de que

un determinado porcentaje de granos (por ejemplo, 80 a 90%) esté concentrado en tres cedazos adyacentes.

d) Forma de los granos. La fonna de los granos permite establecer el probable comportamiento de la arena; este examen se realiza en el llÚcroscopio.

Características técnicas de las arenas.

Las características técnicas de una arena que interesan más conocer y comprobar son:

a) La refractariedad, b) la cohesión o resistencia, c) la penneabilidad, y d) la plasticidad y deslizamiento.

a) La refractariedad de una arena se detennina por la temperatura a que puede someterse sin presentar signos de fusión. Como ya se ha dicho, la refractariedad viene asegurada por la sílice, cuyas características, por otra parte, resultan siempre modificadas por la presencia de otros elementos.

b) La cohesión de una arena es la consecuencia directa de la acción del aglutinante y depende de la naturaleza y contenido de este último y del porcentaje de humedad. La resistencia le pernútirá soportar los esfuerzos durante la manipulación del molde y la presión del metal fundido. Para deternúnarla se emplearán ensayos de tracción, compresión, etc.



c) La permeabilidad es la propiedad que permite a la arena ser atravesada por los gases, así como la evacuación de éstos del molde en el momento de la colada.

La permeabilidad tiene una enorme importancia: si es escasa, la evacuación del gas resulta muy dificil o casi imposible, provocando la ebullición del metal líquido y la consiguiente formación de sopladuras en la pieza.

d) La plásticidad, el deslizamiento y la movilidad de una arena de fundición, gracias a los cuales llena todos los huecos del modelo y se desliza en la superficie del mismo, no necesariamente en la dirección del atacado.

Es evidente que cuanto mayor sea la capacidad de deslizamiento de la arena, tanto más fácilmente podrá ser comprimida en sus justos límites, mientras que, si es poco lábil, la dureza del molde en determinados puntos del mismo puede resultar insuficiente para resistir la acción mecánica del metal líquido, con posibilidad de defectos.

De esta forma se han descrito las características técnicas más importantes de una arena, examinando en particular la relación entre las propiedades intrínsecas de la misma. No olvidemos que sobre ellas influyen también la humedad, el atacado y el tiempo de mezcla; es decir, tres factores en los cuales, y hasta cierto punto, es posible intervenir directamente al objeto de desarrollar en la arena los valores que mejor satisfagan las exigencias de la fabricación.

La comprobación de estos valores debe realizarse periódicamente utilizando los aparatos adecuados.

Negros barnices de fundición.

Además de los componentes fundamentales, arena y aglomerantes, en la preparación de arenas se emplean lo que se denomina negros de fundición, que se dividen en:

a) Negro mineral o de mezcla. b) Negro de estufa o recubrimiento. c) Grafitos.

El principal objeto de su empleo es compensar la dilatación de la arena y crear una capa aislante entre la arena del molde y el metal líquido a fin de impedir el contacto entre el metal y la arena.

a) Negro mineral, es polvo de hulla pulverizado y se afiade a la arena verde en proporción del 3+6%. En el momento de la colada arde y los productos de la combustión constituyen un velo protector entre el metal y la arena.

La finura del negro mineral tiene también mucha importancia, si bien no es siempre cierto que su grado deba ser el más elevado posible. En efecto: si un negro de grano demasiado grueso puede dar origen en la pieza a una superficie muy basta, un negro demasiado fino peIjudica la permeabilidad de la arena y la compensación de las dilataciones. La solución ideal consiste en emplear unnegro de granulometría similar a la de la arena con la cual se emplea, o poco más fina.



b) El negro estufa se emplea para barnizar las superficies de los moldes y de los machos en el moldeo en seco. Está compuesto por una suspensión fluida de grafito, negro vegetal (polvo de carbón de lefia), arcilla refractaria yagua. El barniz así obtenido se extiende sobre la superficie del molde antes de someterlo al secado.

c) El grafito se emplea en polvo aplicándose en seco sobre la superficie del molde verde.

Los negros descritos se utilizan en la fundición del hierro, cobre y bronce principalmente. En la fundición de acero para moldes en seco, se utilizan barnices a base de harina de sílice con aglutinante arcilloso.

Composiciones de arenas más usuales.

a) Arena de contacto para moldeo en verde del hierro. Arena sílice (70-80 AFS) .............. . 100 kg Bentonita sódica .................... . 6 kg Cereal ........................... . l kg Hulla en polvo ..................... . 5 kg Agua ............................ . 4 a4.5 kg

b) Arena única para moldeo en verde del hierro. Arena vieja ., . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 kg Arena sílice (70-80 AFS). . . . . . . . . . . . . . . 20 kg Bentonita sódica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.5 kg Cereal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.2 kg Hulla en polvo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.5 kg Agua............................. 4 kg

c) Arena de contacto para moldeo en verde del acero. Arena sílice (60-70 AFS) .............. . 100 kg Bentonita sódica .................... . 6 kg Cereal ........................... . Agua ............................ .

0.5 al kg 3.5 a 4 kg

d) Arena única para moldeo en verde del acero. Arena vieja '" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 kg Arena sílice (60-80 AFS) . . . . . . . . . . . . . . . 20 kg Bentonita sódica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.5 kg Cereal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.2 kg Agua ...... ,. ..... ..... . ..... . . . .. 3.5 kg

e) Arena normal pra machos, de des moldeado inmediato. Arena sílice (60-80 AFS) . . . . . . . . . . . . . . . 100 Bentonita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Dextrina........................... 2 Aceite de linaza o similar. . . . . . . . . . . . . . . 1.75 Agua............................. 3

kg kg kg kg kg

f) Arena al aceite autofraguante para estufado, para machos y moldes. Arena sílice (60-80 AFS) . . . . . . . . . . . . . . . 100 kg Aceite autofraguante ... . . . . . . . . . . . . . . . 1.5 a 2 kg Acelerante " . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5% sobre el aceite

g)Arena a la resina furánica de caja fria, para machos y moldes. Arena sílice (60-80 AFS) . . . . . . . . . . . . . . . 100 kg

Universidad de Málaga 1 .15


Resina ........................... . 2 kg Catalizador ........................ . 0.6 kg

h) Arena al cemento, para machos y moldes. Arena sílice (50-60 AFS) . . . . . . . . . . . . . . . 100 kg Cemento tipo portland . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 kg Agua............................. 3 kg

i) Arena al silicato-C02 para machos. Arena sílice (60-80 AFS).. . . . .. . . . . ... . 100 kg Azucar............................ 0.5 kg Silicato sódico, módulo 2.4 ............. . 4 kg

j) Arena al silicato-C02 para machos. Arena sílice (60-80 AFS) . . . . . . . . . . . . . . . 100 kg Bentonita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 kg Dextrina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.5 kg Silicato sódico, módulo 2.4 ............. . 5 kg

Preparación de las arenas de moldeo.

La arena de moldeo para la confección exclusivamente de moldes, se divide en:

a) arena para moldeo en verde, y b) arena para moldeo en seco.

Con la primera se confeccionan moldes en los que se efectúa la colada sin someterlos a ningún secado. Con la segunda se confeccionan moldes que, antes de la colada, se someten a un secado cuya finalidad es la de aumentar la cohesión de la arena, al objeto de que soporte mejor la acción mecánica del metal fundido, acrecentar la permeabilidad y reducir el vo lumen de los gases que se producen en el curso de la colada.

Es evidente que el primer sistema tiene la ventaja de ser más económico y pennite las producciones en serie y un empleo menor de utensilios (cajas de moldeo). Pero no todas las piezas pueden ser producidas con el moldeo en verde. Particularmente las piezas grandes son de dificil realización con este sistema.

Hay que hacer una posterior distinción entre la arena de modelo y la arena de relleno: la primera, como su nombre indica, se aplica en contacto inmediato con el modelo y, al formar la superficie del molde, sufrirá la acción directa del molde líquido. Por lo tanto, exige una comprobación cuidadosa y una preparación perfecta para garantizar la refractariedad, permeabilidad y cohesión más elevadas.

La arena de relleno sirve para completar el molde y no requiere tanto cuidado como la arena de modelo. Sin embargo, hay que evitar el error, muy frecuente, de no dedicarle ni la más mínima atención.

La preparación de la arena de moldeo se realiza de modo diverso en las distintas fundiciones según los materiales de que disponen, los objetivos a alcanzar y las costumbres. Normalmente se mezcla arena nueva con arena usada en anteriores moldeos, afiadiendo los



ingredientes adecuados.

La finalidad de esta preparación es la de obtener una masa homogénea, sin terrones, cuerpos extraños o polvo, compuesta solamente de granos de sílice separados unos de otros y recubiertos de una capa suficiente de arcilla humedecida u otro aglutinante, con la eventual adición de negro mineral.

Para preparar una arena de moldeo se puede seguir la secuencia siguiente:

a) La arena usada procede del desmoldeo en masa heterogénea, reagrupada en terrones compactos en los puntos que estuvieron en contacto directo con el metal. Hay que reducir esta masa al estado granular, lo que puede realizarse introduciendo la arena en una deste"onadora.

b) La arena usada contiene rebarbas, escamas y trozos de metal, sobre todo clavos de los que se emplean para reforzar el moldeo en las zonas más débiles. Es conveniente quitar estos fragmentos de hierro con un separador magnético.

Separador magnético

Desterronadora

Para los fragmentos metálicos no ferrosos o cuerpos extrafios, el único sistema de separación es la criba. Las cribas más usadas en los grandes talleres son las de rotación. En los talleres que se dedican preferentemente a producción de piezas de tamafios medianos se emplean cribas de zaranda . En uno y otro caso las mallas pueden ser de diversos tamaños, al objeto de proporcionar granos clasificados. En las pequeñas fundiciones se usa todavía la criba inclinada.

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Criba de DlUIIIa


Confurmado por moldeo

Criba iDctiDada

CnOa de rotaci6n

d) Cuando se desee eliminar el polvo de la arena se recurre al extractor o ventilador, en el cual la arena puede también clasificarse, ya que los granos gruesos quedan en la tolva irunediata al ventilador y los granos finos en la más lejana.

Extractor o ventilador Dosificador

e) En este punto la arena usada es granular y sin cuerpos extrafios. Hay que dosificarla para introducirla en la mezcladora con otra cantidad de arena nueva. El dosificador es corrientemente un disco, que gira lentamente alrededor de un eje vertical, colocado debajo de la tolva que contiene la arena.

f) La arena vieja y la nueva, dosificadas, se introducen en la mezcladora-amasadora (artesa giratoria y rodillos fijos; artesa fija y rodillos giratórios), cuya finalidad es la de mezclar los diversos ingredientes de la arena y especialmente garantizar la distribución unifonne del aglutinente en toda la masa, de modo que todos los granos queden recubiertos por igual.



Mezcladora-amasadora

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Mezcladora-amasadora

Cuanto más eficiente sea la mezcladora, tanto menor será la cantidad de aglutinante necesaria para obtener una cohesión determinada y, por 10 tanto, la penneabilidad será mayor.

En la mezcladora, juntamente con la arena usada, se carga siempre arena nueva y, en la arena arcillosa, la cantidad precisa de agua. Si está destinada a moldear en verde, se añade también negro mineral. Cuando se prepara la arena silícea aglomerada para machos, se añaden los aglutinentes, con agua o sin ella, y sin el negro de humo.

La arena, después de una elaboración de 4 a 10 minutos, se descarga a mano. En las máquinas de funcionamiento continuo la descarga se efectúa automáticamente.

g) Después de haber pasado por la mezcladora, la arena queda regenerada, es decir, cada grano está recubierto de arcilla húmeda o de aglutinante; para separar los granos uno de otro se hace pasar la arena por un desintegrador.

Desintegrador

Desintegrador


::, .' Confunnado por moldeo

Estas máquinas se basan todas en el mismo principio: lanzar al espacio, por un medio cualquiera, los terrones de arena de moldeo que, por erecto de la resistencia del aire, se subdividan en sus elementos, es decir, los granos de sílice.

Después de esta operación la arena debe aparecer homogénea, ligera, harinosa, de color negro uniforme, fresca También debe ser blanda al tacto, apretándola en el puño debe ceder sin apelotonarse, ni producir sensación de humedad. Los terrones han de resultar consistentes.

h) Algunas veces, especiahnente en la preparación de arenas silíceas aglomeradas para machos, es necesario comprobar exactamente la cantidad de agua introducida en la mezcladora; para ello se precisa secar la arena en un secador. La figura esquemática representa una instalación automática para la preparación de las mezclas de arena.

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Secador Instalación automática


TEMA 2

PROCEDIMIENTOS DE MOLDEO EN ARENA

Diferentes formas de moldear.

Independientemente de que el moldeado pueda hacerse a máquina o manualmente, como luego veremos, existen unas formas universales que principalmente son las siguientes:

a) Moldeo al descubierto. Aplicable a piezas generalmente planas que no tienen más que una cara propia. Esta

manera de moldeo se realiza sin cajas, sobre el suelo, en una fosa especialmente equipada para la evacuación de gases en el momento de la colada.

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MokItou al Ueticubierto

b) Moldeo en fosa. Se emplea cuando las piezas son de grandes dimensiones y, sobre todo, de gran altura y

no se dispone de cajas bastantes grandes para ellas .

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Moldeo en f(lIia

2.1

c) Moldeo sin caja. Se utiliza corrientemente para el moldeo en

serie de pequefias piezas, moldeadas en verde, efectuándose en cajas articuladas con fuerte salida

Una vez cerrado el molde y situado en el lugar de colada, se practica la apertura de la caja quedando el molde o terrón aguantado por los zunchos que se le co locarán en su caso.

Esta manera de moldear se usa para aleaciones de hierro, cobre o ligeras y tiene lugar en general sobre placa, pennitiendo en algunos casos una apreciable economía en material y mano de obra.


Moldeo de arena sin caja

En las siguientes figuras se muestra un proceso automátizado de moldeo con placas modelo sin caja y colada inclida, en la que cada bloque de arena soporta al anterior.

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Procedimientos de moldeo en arena

d) Moldeo en cajas. Es el caso más general y se aplica tanto al moldeo a mano, con dos o más cajas, como al

moldeo a máquina con dos cajas en general.

Permite obtener desde la pieza más simple a la más complicada utilizando, ya sea un modelo completo, ordinario o montado sobre placas, con macho o sin él, ya sea un modelo de calibres o plantillas, ya sea un modelo incompleto.

Puede efectuarse en arena verde o en arena calentada, para un pequeño o un gran número de piezas, debiéndose hacer previamente un estudio de la posición de la pieza en el molde, de la forma de sacar el modelo y del sistema de colada.

dI) Moldeo sin macho y sin molde falso. Aplicable a piezas sencillas que tengan una junta de moldeo horizontal.

El trabajo del moldeador consiste en colocar el modelo sobre una placa horizontal, que puede ser un mármol, y luego colocar la caja inferior, que se rellena de arena.

Se enrasa con una regla la arena y se da la vuelta a la caja, colocando encima la caja superior, cuya posición se fija con pasadores, colocando a continuación los elementos de colada y el respiradero o los respiraderos, si son necesarios, cuya finalidad es la evacuación del aire contenido en la impresión del molde.

Se espolvorea la superficie de la caja inferior con arena secada o calentada para evitar la adherencia con la nueva arena, y se procede al relleno de la caja superior.

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Después de alisar la parte superior, se sacan los elementos de colada y el respiradero (O los respiraderos) y a continuación se separan las dos cajas.

Se extrae el modelo después de haberlo golpeado con una varilla, para facilitar el desmoldeo, se cortan el ataque o los ataques de colada, se ensanchan los respiraderos, se espolvorean las superficies exteriores del molde con carbón vegetal pulverizado para facilitar la limpieza de la pieza, se cierra el molde, que se coloca sobre un lecho, y se colocan encima barras de fundición para evitar el levantamiento de la caja superior durante la colada.

Después de colado el metal fundido y de enfriarse la pieza, es extraída del molde. Falta sólo desbarbar la pieza, es decir, quitarle los apéndices de colada y las rebabas.

d2) Moldeo sin molde falso, con pieza batida. Si la pieza acabada de estudiar tuviese una contrasalida y pretendiéramos moldearla sin

molde falso, se hace preciso confeccionar una pieza batida.



Este procedimiento, válido sólo para un número muy pequefio de piezas, se reemplaza por un moldeo con macho cuando el número de piezas es suficientemente grande.

d3) Moldeo con molde falso. Este moldeo se impone cuando la pieza no ofrece una superficie exterior plana que pueda

confundirse con la superficie de junta del molde. El procedimiento se representa en las figuras.

fig 2.21

Moldeo con molde falso

La confección y destrucción del molde falso para cada pieza constituye un trabajo oneroso, pudiéndosele reemplazar, cuando el número de piezas es suficientemente grande, por un molde falso en yeso o madera (fig. 2.21), en el cual se coloca el modelo antes de fabricar la caja inferior.

d4) Moldeo con caja intermedia. Algunas piezas presentan varias secciones máximas y necesitan para su moldeo el empleo

de una caja suplementaria llamada caja intermedia y que el modelo sea desmontable según la sección mínima.

Para su fabricación se procede de la forma indicada en las siguientes figuras.



Moldeo con caja intermedia

ds) Moldeo con macho. En el moldeo con macho, como ya sabemos, el modelo es diferente de la pieza debido a

que lleva las portadas de los machos.

Estas portadas, que son cuerpos suplementarios, producen en el molde cavidades que serán vueltas a tapar, en el remo Ideo , por uno o varios machos obtenidos en moldes aparte Uamados cajas para machos.

Esta forma de proceder, que es la aplicada corrientemente, se usa tanto para el moldeo de piezas relativamente sencillas como para el de piezas muy complicadas.



CIIbe •• o ~"ro de (ol.~.

~) Moldeo por te"aja. En las fonnas de moldear precedentes, las superficies del molde son obtenidas por

prensado de la arena sobre las superficies del modelo; pero para disminuir el coste de los modelos cuando las superficies se presten a ello, es posible reemplazar el modelo habitual por un conjunto de plantillas que procuran al moldeador el medio de generar las superficies del molde (fig. 2.36 by 2.36 c).

• fig 2.36 e

Esta fonna de trabajar es aplicable a moldes de grandes superficies cuando, además, el número de piezas es limitado, permitiendo obtener todas las superficies regladas en las que el movimiento de la línea generatriz se realice fiícilmente.

Para efectuar esta clase de trabajo, el moldeador dispone, además de las cajas normales y del utillaje individual, de un árbol circular (fig. 2.35) compuesto por un soporte fijado sólidamente al suelo, del cual parte el árbol cilíndrico, de 40 a 80 mm de diámetro, sobre el que se encaja y gira el portaplantillas o brazo giratorio en el cual se colocan las diferentes plantillas, pudiéndose variar la altura del brazo por la anilla de detención que hace de soporte. La citada figura da un detalle suficiente para comprender el procedimiento.


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fig 2.35

Para la confección de machos de grandes dimensiones y en los cuales la longitud sea superior al diámetro, el moldeador dispone de linternas, es decir, tubos agujereados, generalmente de fundición, que sirven para sostener la arena o la tierra y facilitar el desprendimiento de gases en el momento de la colada (fig. 2.38 Y 2.39).

d7) Moldeo sobre armaduras. Es un modo de moldear intermedio entre el moldeo con modelo y el moldeo con calIbres

o plantillas (fig. 2.36 a y 2.40).



Cajas de moldeo.

Los recipientes en los cuales queda apisonada la arena y que contienen, por lo tanto, el molde se llaman. como ya se ha visto, cajas de moldeo.

Las caras confrontadas de las cajas están cepilladas y rectificadas en máquinas herramientas. Los pasadores o bulones y los agujeros de las orejas deben resultar exactamente perpendiculares a los planos de dichas caras, mientras que las distancias entre los agujeros, la distancia entre los pasadores y su cahbrado deben pennitir el encaje exacto y libre de las cajas, sin huelgos apreciables.

Deben ser sólidas para resistir las cargas a que se les somete; ligeros para ser manejados con el mínimo esfuerzo por los obreros; identificables e inconfundibles entre sí; rugosos para oponerse al deslizamiento de la arena y finalmente su precio de coste debe ser lo más bajo posible. Este material indispensable representa sin embargo un peso muerto en la empresa.

Las figuras 2.41 a 2.48 representan algunos disefios de cajas de moldeo.

La determinación del tamaño es función del modelo que es preciso moldear. Conviene disponer de un razonable espesor de arena entre las paredes de la caja y las superficies del modelo. En general no debe ser inferior a 30 - 40 mm en piezas medianas ni de 50 - 60 mm en piezas grandes.

Hay que considerar un fondo de arena en las partes bajas que, por razones de seguridad, no debe ser inferior a las cifras anteriores o incluso superiores si la colada se realiza por caída directa (lluvia) o bien si la presión metalostática sobre el fonde es importante.

Por supuesto que la caja debe dar espacio adecuado para la posición del bebedero y canales, que en la mayoría de los diseños ocupa zonas distintas que la huella propia del modelo.



La caja superior debe tener una altura tal que la presión hacia arriba no rompa el techo de arena, pudiendo considerarse las citadas cifras como mínimas, ya que la necesidad de disponer de mazarotas de determinado volumen y altura, como la garantía de un buen llenado a base de bebederos suficientemente altos, hacen que en general esos núnimos queden superados.

De todos modos se llega a la consecuencia de que el utilizar cajas mayores en cuadro o superficie que las estrictamente necesarias, si bien introduce un coste adicional por un sobrante de kg. de arena preparada, a veces queda compensado con una menor dotación de cajas e inmovilizado (placas modelo, etc.) y, por lo mismo, con una mayor posibilidad de mecanizaciones y automatizaciones que siempre debe buscar el fundidor por la gran influencia en el coste, comparado con otras fabricaciones.

c ••• ~,.I o



Moldeo a maquina.

El aumento en la demanda de piezas y la competencia en los mercados han hecho necesarios el estudio y empleo de máquinas especiales para preparar los moldes.

Las máquinas de moldear han representado, un avance decisivo para la fundición, transformándola gradualmente en un proceso mecanizado.

Las máquinas de moldear se han estudiado y construido para realizar, parcial o totalmente, el mismo ciclo de operaciones que las que habitualmente efectúa un moldeador manualmente.

Primeramente, la atención de los técnicos fue atraída por la extracción del modelo, que, aunque el que 10 realice sea operario experto, ocasiona roturas más o menos importantes en el molde, con las consiguientes pérdidas de tiempo en los necesarios retoques; se construyeron entonces las máquinas de desmodelar, y poco a poco se fueron introduciendo la mecanización de todas las operaciones hasta llegarse a las máquinas actuales.

Normalmente, para la preparación del molde se emplean dos máquinas distintas de moldear o una para la preparación de la media caja inferior y otra para la media caja superior, Sobre la primera máquina se monta la placa modelo que reproduce la parte inferior de la pieza, y sobre la segunda la que reproduce la parte superior. Las dos medias cajas se acoplan y cierran después como de costumbre, obteniéndose así el molde completo de la pieza dispuesta para la colada. Sin embargo, es posible obtener el moldeo completo de las dos medias cajas con una sola máquina mediante el empleo de placas modelo especiales.

El empleo de máquinas para obtener grandes producciones requiere un adecuado servicio. Es necesario suministrar arena y cajas a las máquinas, Y retirar los moldes ya preparados. De otro modo, los beneficios producidos por el empleo de las máquinas quedan anulados. Por ello, sólo en los pequeños talleres se echa la arena con pala. En los talleres de alguna importancia todas las máquinas están provistas de tolvas o de cintas de transporte que las alimentan continuamente de arena. Los moldes, apenas confeccionados, son depositados sobre transportadores de rodillos, de cinta o de ruedas, que los conducen inmediatamente al lugar donde se efectúa la colada.

La máquina de sacudidas y compresión en fases distintas es el tipo de máquina más empleado. Con estas máquinas el operario después de haber realizado el sacudimiento y una vez que la arena está bien repartida dentro de la caja, pasa a la fase de compresión.

El número de sacudidas varia según las dificultades presentadas por el modelo. Algunas máquinas llevan adaptado un dispositivo automático que regula el número de sacudidas de acuerdo con las necesidades. Sin embargo, normalmente es el operario el que regula por sí mismo el número de sacudidas según el modelo aplicado a la máquina y el tipo de arena empleado. En la figura siguiente se muestran las tres fases de trabajo de una máquina de sacudidas y compresión en tiempos distintos.


MAquina de moldear por NO<Udido Y com¡>reoi6n

.. placa modelo: c.caja: 0_ d,COP!;l'O de dcamoIdcar: n,pistón de ...cudido; r.¡OotÓft de COIT\(l""SÍÓn

MjqIIiDa de lIklkIear poi' aaodida Y rompresióo coa bra2Ds para SOfI!ClIa" la placa modelo de <kJe cax- y las <kJe lIIllIIia CljlIL

ConfOrmado por moldeo

Máquina en fase de dcsmodelar

I _. ___ , __ • __ ow.. _ .................... , .. _ ..

Las máquinas de vibración y compresión en fases combinadas son máquinas estudiadas y construidas con el fin de aumentar la rapidez en el moldeo, especialmente para modelos que no presentan grandes dificultades. Las operaciones de vibración y de compresión se realizan al mismo tiempo. La figura siguiente muestra un esquema de construcción de una máquina de este tipo.

En ambos tipos de máquinas el desmodelado se efectúa por levantamiento del molde mediante velas u otro procedimiento.



"""'"""""- ..... • ibtu""Apuiow. 'f de

Las máquinas giratorias, W10 de cuyos tipos se ilustran en la figura, se prestan para la producción de cajas con desrnodelado de los modelos complicados y machos profundos. Como puede verse en la figura, los dos brazos que sostienen el conjunto caja-placa-modelo pueden girar 180°. - ....

M"'uiDa para moldear por sacudidas '1 comptCSiÓD. rebatible ca abanico. La c:aja se moldea m la izquierda y lueao se deposita invertida ea la ·cJerec:ba (mediante rotad6n ea aba. nico de los brazos). donde .. realiza el

desmodelado.

Las máquinas de plataforma giratoria se componen esenciabnente de una pletina giratoria de gran tamaiío sobre la cual se montan cuatro máquinas de desmodelado de accionamiento hidráulico, sobre las cuales se colocan, alternativamente, una placa-modelo con la mitad de la pieza y otra placa-modelo con la otra mitad.


M6quiDa de pIatal_ airatoria. Obsbvease las cuatro mAqviAu dispGcstu CII

1& plataforma.


DI

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Vista ea pluta de la ........ ... rior. Ea la posicl6a Á • pone la caja; .... le

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Las máquinas de moldear por proyección centrifuga de arena son máquinas especiales que efectúan la compresión de la arena mediante la proyección violenta de la misma en torno al modelo situado dentro de la caja de moldeo. Se componen esencialmente de una turbina de palanca que gira a gran velocidad. La arena, introducida continuamente mediante una cinta transportadora a través de una abertur~ es proyectada por una pala fuera de la boca en la caja situada debajo, con tal violencia que queda comprimida sin necesidad de ulteriores apisonados.

El conjunto de la turbina y de la cinta transportadora de la arena está montado sobre un sistema de dos brazos articulados separables, de forma que sea posible situar la boca de salida de la turbina sobre todas las partes de la caja colocada debajo.

El mando puede efectuarse a mano desde tierra accionando dos palancas, o desde un asiento fijado a la turbina; en los tipos más grandes, con un panel de maniobras, y, en los modelos recientes automáticamente, según un esquema y un orden predeterminados.

Es evidente que este tipo de máquina permite una elevada producción de moldes, incluso de los de grandes dimensiones, que sería imposible preparar en las máquinas de sacudida o de presión que se han descrito anteriormente.

Existen dos tipos distintos de estas máquinas: el tipo fijo, más pequefio, se presta para el moldeo de cajas de medianas dimensiones, de peso no excesivo y fácilmente manejables; las cajas son llevadas a intervalos bajo la máquina.



M6quiDa -m. • moIdcu por prOJeCd6a. fija. C01I DWIdo hidriulifo. Se luministra la arena a la mAquina por aniba. med1aD1. una elAta ~

El tipo móvil, mayor, se presta en cambio para el moldeo de grandes cajas, de dificil manejo y muy pesadas.

Toda la máquina es móvil sobre ruedas, y es llevada en su momento a la zona de moldeo.

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Fa.s.n. - M"ruina _pueata ... oteaJ6a. 1DMiI. _ mudo el6c1rico del cabcUI de ~; la miau miqIJiDa recoee. al apartuw. la ..- 7 la prepara o .... carp de Ya ca euando de

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La capacidad de proyección de estas máquinas es aproximadamente de 200 a 280 dm3 de arena por minuto (alrededor de 15 a 20 tonlh de arena).

Tiempos de las operaciones de moldeo y anejas.

Estos son bastante variables de unas máquinas a otras, aunque para fundiciones de pocas o medianas series casi todos los constructores diseñan máquinas que, no sólo son muy similares,



sino que los tiempos máquina son poco variables.

Es en el equipamiento adicional a las máquinas en donde se le puede sacar un sustancioso partido al tiempo total empleado por molde.

Operaciones máquina:

Sacudir. Bastarán de 20 a 30 sacudidas que pueden tener una frecuencia entre 4 a 6 golpes/segundo.

Prensar: Es una operación en la que basta apretar un mando y mantener brevemente la presión para que haya buena penetración (4 a 6 segundos)

Desmodelar. Depende del sistema pero en muy escasa medida. Puede considerarse casi invariable y puede hacerse entre 4 a 10 segundos, dependiendo de la altura del modelo.

Los demás movimientos, como volver las velas o la máquina a su posición, son tiempos de orden mitad o poco más que los empleados en el desmodelado.

Ahora bien, los tiempos de alimentación de cajas, arenas, etc. y de evacuaciones y limpiezas por molde tienen una fuerte dependencia de el equipamiento con que se utilice el puesto.

Ejemplo:

Operaciones de moldeo en máquina mediana:

Tiempos para cajas de 600 x 450 x 200 mm

- Colocar caja 5 s - Echar arena - Sacudir - Prensar - Desmodelar - Evacuar - Limpiar modelo

6s 7s 4s 5s 7s 3 s

20 a 30 (4 a 6 golpes por segundo) pulsar botón

Los tres movimientos centrales son de máquina y poco variables de unas a otras, en una misma pieza e incluso en una amplia gama, pues la máquina y su mesa se acomodan en potencia.

Los movimientos extremos son dos anteriores y dos posteriores, dependiendo del equipo: - Poco utilizado 2 veces el tiempo de máquina - Normal " 1"" " - Bien " 0,6 " " "

Criterios de elección de las máquinas de moldeo.

El criterio siempre lo marca el tipo de piezas que quieren fundirse (pequefias, medianas



o grandes) y la serie que esperamos realizar.

Si nos preparamos para atender a diferentes clientes para abordar todo tipo de piezas, excepto las más grandes, podemos hacer una división de todas las piezas en seis grupos de tamaiios y estudiar tres tamaños de máquinas y una o dos proyectoras.

Los catálogos de fabricantes informasn suficientemente sobre las características. A saber:

- Presión de aire de trabajo - Fuerza de prensado - Capacidad de carga de la mesa

(placa+caja+arena) - Carrera de prensado - Carrera de desmoldeo - Dimensiones de la mesa - Cota máxima y mínima de

la mesa al prensar

suele ser de 6 kglcm2

1500, 3000, 5000, 8000 ... kg

200, 300, 500 ... kg 90,95, 100, 120 ... mm

170, 200, 220 ... mm (500x300) .. , (1 000x800)

(400-500), (180-200)

Como quiera que lo que el fundidor debe primero calcular es el tarnafto de las cajas, habida cuenta de las piezas, lo primero que tiene que comprobar es qué máquina se adecúa mejor por tamaiio de mesa y capacidad de carga de la mesa, y enseguida comprobar si la fuerza de prensado que proporciona la máqina es suficiente para obtener la dureza deseada

En general, moldeando en arena verde se obtiene la dureza a base de una fuerza de prensado de unos 2 kglcm2

• Así pués, la comprobación es sencilla. Veámoslo a través del siguiente ejemplo:

Se precisa usar cajas de 400x500 mm

F = (40x50)x2 = 4000 kg

La máquina debe dar 4000 kg como mínimo.


TEMA 3

HORNOS DE FUSIÓN

Clasificación general de los hornos de fusión.

El objeto de los hornos de fundición es el de proporcionar al metal el calor necesario para fundirlo y recalentarlo hasta el pWlto de que adquiera la fluidez para adoptar la forma del molde.

Los hornos se pueden dividir en tres clases:

1) Hornos de combustible. 2) Convertidores. 3) Hornos eléctricos.

Los hornos de combustible se subdividen en dos categorías:

a) Hornos en los cuales el metal y el combustible están separados. b) Hornos en los cuales el metal y el combustible están en contacto (cubilotes).

Los convertidores utilizan como fuente de calor la combustión de alguno de los elementos de la aleación.

Los hornos eléctricos, a su vez, se subdividen en tres categorías:

a) Hornos eléctricos de arco. b) Hornos eléctricos de resistencia. c) Hornos eléctricos de inducción.

Hornos de crisol.

Es el tipo más sencillo de horno, y se encuentra en fundiciones que trabajan aleaciones de metal no férreos. En las fundiciones que trabajan con hierro fundido puede tener empleo para coladas pequefias y urgentes.

El elemento más importante es el crisol, compuesto de grafito, con la adición eventual de carbofWldo, mezclado con aglutinantes adecuados, por ejemplo, arcilla o alquitrán.

Los crisoles se clasifican por puntos, entendiendo por punto el contenido en peso de 1 kg de bronce líquido (es decir, un crisol de 100 puntos puede contener 100 kg de bronce fundido). En el comercio se encuentran crisoles de muy pocos puntos e incluso de fracciones de punto para metales preciosos, y crisoles de 30 - 50 - 80 - 100 - 120 - 50 - 175 - 200 - 250 - 300 - 400 pWltos

3.1


para aleaciones no férreas.

Para la fusión de metales de bajo punto de fusión. como el zinc, =-;ª,~lr. aluminio, estafto, plomo, etc., sirven también los crisoles metálicos de ::~~~\1 . fundición especial o de acero. .

El horno de crisol inclinable de la figura, calentado con fueloil, dispone, de un recuperador para calentar el aire de combustión.

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Hornos de reverbero.

Los hornos de reverbero están constituidos por un hogar, una plaza o laboratorio con solera y bóveda, y una chimenea Desde el principio de su aplicación (segunda mitad del siglo pasado), han sido objeto de grandes modificaciones, pero éstas no han afectado a sus principios fundamentales de funcionamiento. El tipo más sencillo de construcción está representado en la siguiente figura

En la plaza se pone la carga metálica que se calienta por convección de la llama, que la roza, y por la irradiación de la bóveda y las paredes.

Los hornos de reverbero tienen un amplio campo de aplicación en las fundiciones de bronce, aluminio y en las de hierro fundido maleable. Se construyen con una capacidad hasta de 40 toneladas. Su funcionamiento, a diferencia de los cubilotes, es intermitente. La carga y la colada se efectúan con la ayuda de grúas. Las capacidades más corrientes son de 5 a 25 t.


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Hornos de fusión

También en las industrias que trabajan con aleaciones ligeras se emplean los hornos de reverbero, ya sean fijos o basculantes, con recuperación del calor o sin ella. Entonces las capacidades pueden ser menores, entre 45 y 2.000 kg. Están siendo muy empleados en la fundición inyectada,

Las pérdidas de hierro en la refusión: 5 a 7% del peso de la carga

Las pérdidas de los distintos componentes del hierro durante la refusión en el horno de reverbero son:

... _"'_II .... ,..., ... --I.~ ......... _.' ... ,.',. .... Silicio: del 19 al 35%. Manganeso: del 20 al 40%.

Valor admisible = 25% Valor medio admisible =

ml"'_ ... lIi_ ....... U""~"'" 30% ... ,' •• ,. •• 1'_1 .............. -.. ..,. ...................... .

M .... ' .......... '* Carbono: del 8 al 20%. Valor medio admisible = 14%

El contenido de azufre de la carga se awnenta algo, según sea la proporción de azufre en los gases del hogar y la forma de realizar la fusión.

El horno Martin Siemens es un ejemplo de horno de reverbero. La figura siguiente da una idea de conjunto de un horno de este tipo. Para alcanzar la temperatura necesaria para la fusión del acero (1700 C) se concede la máxima importancia al precalentamiento del gas y del aire, que puede alcanzar de 1000 a 1100°C. Cuando se emplea petróleo, metano o gas de coque, es suficiente precalentar el aire y no hacen falta más que un par de cámaras deprecalentamiento.

En las grandes fundiciones de acero o en las de hierro fundido maleable, se emplea este horno con una capacidad entre 15 y 20 toneladas, mientras que en las fundiciones que producen lingotes de acero alcanzan capacidades de 250 a 300 toneladas. ..I§1=1 Hornos oscilantes y giratorios.

Esta clase de hornos nacieron de la necesidad de aumentar la transmisión del calor de las paredes del laboratorio, o cámara, a la masa de fundición, es decir, de aumentar el rendimiento térmico. Se realiza del modo siguiente: la carga sólida es introducida después de haber calentado el laboratorio a 700°C; si se emplea el procedimiento duplex, se introduce

~ ." ... . ','

el metal liquido; en el primer caso se produce una oscilación bastante limitada (unos 45°), que somete toda la masa metálica a la acción de los gases calientes. Cuando la masa está fundida, se awnenta la oscilación (o se hace girar el laboratorio ) de modo que todo el recubrimiento entre en contacto, alternativamente, con la llama y con el metal: la máxima oscilación o la rotación se aplican cuando el metal está cubierto de escoria; ello asegura una mezcla "eficaz y, a la vez, la máxima . -homogeneidad del baño. La figura siguiente muestra un horno de este tipo. 0IINlaII _ Loo .._.- ... -._*-. Cubilotes.

--.Lat ____ _ -, .. _ .... ,,..... Universidad de Málaga 3.3


Es el aparato de fusión más antiguo empleado para la refusión del hierro colado, ya que se emplea desde hace siglos, si bien la experiencia y el progreso han sugerido modificaciones que han cambiado totalmente el aspecto de los cubilotes modernos respecto a los antiguos. Sin embargo, los principios en que se basa su funcionamiento son los mismos.

El cubilote es un horno que funciona con combustible sólido yen el que la carga metálica, el combustible y el carburante están en íntimo contacto entre sÍ. Esto permite un intercambio directo y activo y, por lo tanto, un rendimiento elevado. Sin embargo, y por causa de este mismo contacto entre el metal, las cenizas y el oxígeno, el hierro colado producido no puede ser rigurosamente controlado desde el punto de vista metalúrgico.

El cubilote está formado por las partes indicadas en la siguiente figura:

-

El tamaño Y las proporciones de los cubilotes son bastante variables porque los técnicos aplican a los mismos los resultados de sus experiencias personales. Daremos, sin embargo, algunos valores indicativos:

a) Diámetro interior. Se puede aceptar que, en la práctica, la producción de los cubilotes medianos y grandes es de 75 kg por hora y decímetro cuadrado de sección. Por lo tanto, si P es la producción en Kilogramoslhora, S la sección interior del cubilotes en decímetros cuadrados y di el diámetro interior en decímetros, tendremos:

P = 75'S =75 = d¡2 [kg/h)

Y realizando la operación en números redondos:

P = 60'd¡2 [kg/h]

de lo cual

d. = ~ P [dm] I 60

La producción de los cubilotes pequeños es algo inferior (de 15 a 20% menos).

b) Espesor del revestimiento o diámetro exterior. El espesor de los refractarios varía desde 15 cm, para los cubilotes pequefios, hasta 30 cm y más, para los mayores, pero existen cubilotes modernos cuyo revestimiento refractario se ha reducido hasta 6 u 8 cm, y cuya envoltura de plancha se enfría por el exterior, en la zona más caliente, por medio de un chorro de agua.

Si a es el espesor del refractario y b el de la capa intermedia en decímetros, el diámetro exterior del cubilote resultará:

de = 2(a+b) + di [dm)


Hornos de fusión

El perfil interior del horno es generalmente cilíndrico. A menudo se sustituye el revestimiento de la boca de carga por coquillas huecas de hierro colado para resistir la acción mecánica de la introducción de la carga

a) La altura del cubilote es la distancia H entre la solera y la boca de carga, En algunos está establecida en proporción al diámetro interior; en tal caso:

H = 5d¡ [dm]

de los hornos más pequeños a los más grandes.

Otros establecen la altura H en proporción al porcentaje de coque de la carga.

Normalmente, el cubilote debe contener de 4 a 6 cargas de material (coque+ fundente + metal): una altura demasiado reducida provoca pérdidas de calor, por cuanto los gases calientes no encuentran el modo de ceder la mayor parte de su calor senSIble a la carga situada en la parte superior. Una altura excesiva puede provocar el desmenuzamiento del coque y, al contacto de la carga de la parte superior, la conversión del anhídrido carbónico (C02) en óxido de carbono (CO), que se marchará por la chimenea; es decir, que en vez de recuperar calor sensible, se desperdiciará combustible.

d) Número y sección de las toberas. Actualmente se prefiere colocar las toberas en un mismo plano, excepto en los grandes cubilotes, en los cuales se colocan en dos capas vecinas, alternadas verticalmente.

Su número varia de 2, para los cubilotes más pequeños, a 4, 6, 8 y hasta 12, para los grandes cubilotes.

Su forma puede ser redonda), cuadrada o rectangular.

CM'U ..... Io ...... G, ... • " ............... -. .. j_ ... .

• , .... '~II .... l't

La sección total s, en centímetros cuadrados, de las toberas se establece en proporción a

la sección interior S, en centímetros cuadrados, del cubilote. En tal caso: s = ~ [cm 2] 5 ... 6

S para los hornos mayores, y s = -- [cm 2] para los hornos más pequeños. 4 ... 5

Otros, más recientemente, considerando que la cantidad de aire debe ser proporcional a



la relación P entre el peso p en kilogramos del coque de carga y el peso P en kilogramos de la p

carga metálic~ fijan la sección total s de las toberas en:

s = pS [cm 2] P

Es conveniente comprobar que la sección s resulta por lo menos el doble de la sección de la boca expelente del ventilador.

Las toberas se colocan ligeramente inclinadas hacia el interior del cubilote para evitar que las invadan las escorias o el metal líquido.

e) Tuberías y cámara de viento. Es conveniente que la tubería del aire sea rect~ de sección redonda Sa doble de la sección expelente del fuelle, y que entre tangencialmente en la cámara de aire. Esta última debe tener una sección:

S¡ = (2.5 ... 3) sa [cm 2]

y una altura: a = 2b

2 Siendo S¡ = ab y b = a, se tendrá S¡ = E-, y a = 2S¡

2 2

ConIrapao·r

~-TaNrO ..... ,...-'~~~~~~--~~

Tobtra doble para cuItiIoW. coe .ÜVVlu cIaYiadoru.

salida del hierro colado es intermitente, resulta igual a:

L a s tuberías, cámara de viento, portillos, mirillas, etc., no deben permitir pérdidas de arre.

f) La altura del

Cáubd.:tiauolllJire~~lIM. crisol entre la 00I>I",

solera y la primera fila de toberas, cuando la

h = (0.6 ... 0.8)d¡ [dm]

Si se quiere producir hierro colado muy resistente, con un bajo contenido de carbono, conviene reducir sensiblemente la altura h y, en tal caso, para tener una reserva de hierro colado hay que aplicar un antecrisol. La tendencia moderna es de reducir al mínimo posible la altura h.

Hornos eléctricos de fusión por arco.


Hornos de fusión

En el estudio de los hornos eléctricos de fusión por arco voltaico directo sólo vamos a considerar los que actualmente, y casi en exclusiva, trabajan: los trifásicos.

Figura 3.1

Se componen de: crisol, bóveda., electrodos, brazos portaelectrodos e instalación electro-mecánica o electro hidráulica, para levantar y bajar los brazos, transfonnador de corriente y regulador automático, para mantener una intensidad de corriente determinada. Vamos a estudiar cada elemento separadamente.

a) Crisol.- Puede variar su capacidad desde unos pocos centenares de kg hasta más de 100 toneladas. En los Talleres de Fudición se instalan hornos de acero con crisoles relativamente pequeños: 1 a 10 toneladas.

El crisol, también denominado cuba, está constituido por un recipiente de chapa soldada o remachada, con dos aberturas: una, para la carga y otra para la colada (piquera) de altura y dimensiones variables. Es generalmente cilíndrico, y su volumen debe permitir la carga de una sola vez, teniendo en cuenta las densidades de los distintos tipos de chatarra. El diámetro debe ser grande para que la escoria tenga superficie de reacción y para que el caldo sea poco profundo y no se enfríe en la parte inferior. Se adoptan los siguientes valores:

Capacidad [ti Diámetro [mml

0.5 1000-1400

1500

3 2000

5 2500

10 3000

25 4000

50 5000

60 6000

En la figura 3.1 a es el crisol y b el aislamiento refractario.

b) Bóveda. Esta construida con material refractario, normalmente sílice.

Al preparar la bóveda se dejan tres aberturas para el paso de los electrodos.

La bóveda interesa que esté alejada del arco. La duración de la bóveda en hornos con revestimiento básico es variable con la distancia al arco.

Para evitar que circule aire a través del horno, los anillos, a través de los cuales los electrodos atraviesan la bóveda, deben llevar dispositivos denominados apagallamas, con lo cual, además de oxidarse menos el baño, disminuye la combustión y el adelgazamiento de los electrodos


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en esta zona.


e) Electrodos. En los hornos de arco, la energía eléctrica es conducida al laboratorio del horno, en el cual se realiza la fusión, mediante los electrodos (figura 3.1 e). Éstos están montados so bre soportes portacorriente (portaelectrodos) y convenientemente refrigerados por un anillo de agua

Se fabrican con antracita cocida en hornos especiales, con coque pobre en cenizas o con grafito. Cuando se emplean en su fabricación los dos primeros productos se llaman electrodos de carbón amorfo. En otro caso reciben el nombre de electrodos de grafito natural.

Los electrodos de carbón amorfo no están muy en uso; su empleo se reserva, en particular, a los hornos que preparan ferroaleaciones (ferrosilicio, ferromanganeso, ferrocromo, etc.).

Los electrodos de grafito se fabrican según dos sistemas: uno utiliza grafito natural de Madagascar, Ceilán o italiano, y el otro produce un elemento de coque de petróleo que después es grafitizado en hornos eléctricos especiales donde la resistencia está representada por los mismos electrodos. En el interior de la masa se alcanzan temperaturas cercanas a los 3000°C. Este tipo de electrodo es conocido normalmente por electrodo de grafito Acheson, nombre de su inventor.

La disposición de los electrodos es un triángulo equilátero, con lados ajustados al diámetro del crisol con el fin de conseguir la mejor distn"bución posible de la influencia del arco sobre la carga a fundir.

d) Brazos portaelectrodos (fig. 3.1 j).Sostienen las pletinas o tubos de cobre que llevan la corriente a las bridas o mordazas de bronce que sujetan los electrodos. Lo mismo las mordazas que los electrodos deben calibrarse de forma que pueden soportar, sin calentarse con exceso, la intensidad de corriente generada por el transformador del horno que da intensidades del orden de 15.000 a 25.000 amperios en los hornos grandes, con un diámetro de electrodos que puede alcanzar los 500 mm.

Los brazos portaelectrodos van conectados con todo el sistema mecánico o hidráulico necesario para su levantamiento y descenso.

e) Transformador. La corriente llega a los hornos desde las líneas distn1>uidoras de alta tensión, por ejemplo de 13.200 a 22.000 voltios y, mediante transformadores adecuados, es reducida hasta 60 y 270 voltios con numerosos valores intermedios. En los grandes hornos se emplean actualmente también los 350 V.

La necesidad de disponer de varios voltajes, deriva de las necesidades del proceso metalúrgico mientras que al comienzo de la operación se emplean valores elevados para acelerar la fusión, en el período de afino se desciende a valores más pequefios.

Arco. El arco eléctrico tiene la particularidad de que al awnentar


Hornos de fusión

la tensión la intensidad disminuye, a diferencia de lo que ocurre en una resistencia normal. En lUla

resistencia la intensidad es proporcional a la tensión.

En un arco el producto de la intensidad por la tensión, potencia, es constante para una longitud determinada. El arco no puede existir por debajo de un valor mínimo de la tensión.

El arco puro es inestable, y para estabilizarlo es preciso intercalar una resistencia o una reactancia.

f) Regulador automático. En los primeros años del desarrollo de los hornos eléctricos de arco, los electrodos se regulaban a mano, y se procuraba que los arcos, que se encendían entre el extremo de los electrodos y el baño, no absorbieran más del porcentaje máximo de amperios permitidos por la potencia del transformador. Esta regulación era lenta e insuficiente, en particular durante el período de fusión.

Para entender mejor lo expresado en el párrafo anterior, hay que recordar que la potencia del arco depende de su longitud y que en la marcha normal del horno hay tres regímenes:

1°._ Potencia media y arco medio al comenzar la fusión. 2°._ Potencia máxima y arco largo al fundir. 3°._ Potencia baja y arco corto al afinar.

En cada uno de estos tres regímenes hay que mantener la potencia constante, o sea, que hay que mantener fija la longitud del arco, compensando el desgaste de los electrodos y su distancia al baño o a la chatarra, mediante el movimiento de los mismos. La regulación, aparte de mantener constante la potencia en distintos regímenes, tiene por objeto limitar las sobrecargas bruscas a los valores autorizados por las compañías suministradoras de energía eléctrica.

Hornos eléctricos de arco indirecto.

Considerados en líneas generales, son análogos a los hornos eléctricos de electrodo radiante, siendo dos los electrodos de que disponen, regulables en sentido horizontal hasta que entre sus puntas se forme un arco que no estará nunca en contacto con el metal.

Un horno de este tipo, modelo Booth, muy empleado en Norteamérica, es el reproducido esquemáticamente, en la siguiente figura, que puede girar por completo cuando el metal se ha licuado, para suprimir recalentamientos indeseables en la bóveda provocados por el

arco. El recubrimiento del horno es normalmente de cuarzo o caolín. En ~~==."'==== general sólo se construyen hornos de poca capacidad empleándose 111 ..

bastante en Talleres de Fundición pequeños y medianos para hierro colado y metales no férreos.

El tipo más notable de esta clase de hornos es un modelo norteamericano que es también oscilante. Se instala con corriente monofiísica y, para equilibrar la línea, son necesarios tres hornos o bien dos con un conexionado especial del transformador (modelo SCOII).



Es posible aplicar en este tipo de hornos la regulación automática de los electrodos. Este horno resulta eficaz para la fusión de metales no férreos, especialmente bronces y latones. Se usa también para la obtención de fundiciones aleadas y ordinarias, así como aceros especiales. Las capacidades corrientes varían entre 25 y 500 kg, aunque existen en funcionamiento hornos cuya capacidad llega hasta 2 toneladas. La figura 5.9 representa una instalación completa para fundir el hierro, con una capacidad de fusión de 250 kg.

Hornos de inducción de canal.

Su fundamento es la creación de una corriente, en el metal sólido o líquido, que lo calienta por efecto Joule. Para ello se dispone de una bobina inductora atravesada por un núcleo magnético que produzca una corriente inducida en el material del crisol. Y mejor aún en unos canales en forma de anillo en comunicación con el crisol.

Creados para la fusión del acero, se emplearon más tarde para el latón, seguidamente se modificaron para adaptarlos a la fusión de las aleaciones ligeras (aluminio), pudiendo hoy prácticamente emplearse para fundir casi todos los metales y sus aleaciones.

Con respecto a la situación del canal (que en definitiva es el secundario de un transformador cuyo primario es la bobina inductora) dentro del horno, se ensayaron distintas posiciones concluyéndose que la más adecuada era la parte baja del crisol, ya fuera en un plano horizontal, inclinado o incluso vertical. Con esta posición se llegó a un cómputo de ventajas (atenuación de efectos electrodinámicos perniciosos, mejor mezclado y homogeneización de temperaturas, etc.) que superaron a los inconvenientes (mayor erosión en el refractario del canal, canal menos accesible, etc.).

Todos los tipos funcionan a la frecuencia de la red. Dados los pequeños espesores del refractario que rodean a los canales (refractario entre canal y bobina), es necesario disponer de un sistema de enfriamiento para evitar que el calor del metal fundido perjudique a la bobina. El enfriamiento se realiza por aire y por un circuito de agua que atraviesa toda la longitud de la bobina, que se fabrica hueca

Los hornos de inducción de frecuencia industrial, con núcleo magnético, se representan esquemáticamente en la figura adjunta, en la que se ve el canal, que forma un circuito metálico cerrado que desemboca en una cámara de fusión de mayor capacidad. El canal envuelve el núcleo de hierro que es excitado mediante una bobina.

Las lineas de fuerza inducidas se transmiten al anillo metálico (sólido o líquido) y la energía absorbida se transforma en calor según la ley de Joule.

El tipo más sencillo de horno de inducción de canal tiene la cámara de fusión unida a un canal d, que, como hemos dicho, fonna un circuito eléctrico secundario cerrado en el cual se genera el calor. Al poner el horno en marcha, el canal está lleno de material metálico sólido


Hornos de fusión

en íntimo contacto para permitir el cierre del anillo. Primeramente se funde el contenido de este anillo (sección más estrecha) y luego, poco a poco, se propaga la fusión, a toda la carga La mezcla líquida queda favorecida por la acción electrodinámica de la corriente.

Para facilitar las subsiguientes coladas, conviene dejar siempre una cierta cantidad de metal líquido en el fondo del horno de forma que el canal esté siempre lleno, es decir, cebado.

El horno de baja frecuencia no puede alcanzar las elevadas temperaturas necesarias para fundir el acero, por lo que se emplea casi exclusivamente para aleaciones de cobre-níquel con más de 30% de este último metal. Puede fundir también el hierro colado y metales y aleaciones ligeras.

El consumo de corriente varía según el metal: funcionando continuamente es de 300 a 450 kWhlt para el bronce, 600 a 700 kWh/t para el hierro colado y 400 a 450 kWh/t para el cobre.

En la fundición de hierro se emplean como horno de fusión, horno de mantenimiento e incluso como antecrisol, funcionando en duplex con cubilotes u otros hornos de fusión.

Los hornos de canal pueden ser monofásicos o trif3sicos. Los primeros llevan una sola bobina inductora y los segundos llevan dos o más. Su alimentación puede hacerse de cuatro maneras:

a) Directamente desde la línea de B.T. (pequeños). b) Desde la red de B.T., a través de un autotransformador de regulación (hornos de potencia media). c) Desde la red de A.T. a través de un transfonnador especial de potencia con variador de tensión (hornos de gran potencia). d) Desde la red de A.T. a través de un transfonnador normal de potencia y un transformador de regulación (hornos de gran potencia).

Cuando se trabaja con monofiísico, para tener equilibrio en la red,

~arl-jj:l~~~ es preciso insertar en el circuito un sistema de equilibrado estático, " constituido por una inductancia y por una capacitancia oportunamente

calculadas.

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Hornos de inducción sin canales de baja frecuencia.

En estos hornos la corriente que recorre la bobina primaria genera un flujo magnético alterno, el cual da lugar a las corrientes parásitas (de Foucault) que engendran el calor necesario para la fusión de la carga Este flujo Y estas corrientes dan lugar, a su vez a un movimiento rotatorio en plano vertical en la masa fundida La construcción es muy simple: un recipiente vertical de material refractario, en cuyo exterior se arrolla la bobina inductora hueca y refrigerada La única diferencia de unos hornos a otros sólo estriba en los diferentes aparellajes eléctricos empleados, en base a la frecuencia de la corriente utilizada.



La frecuencia principal empleada es la industrial de la red, yen algún caso la industrial triplicada (3 x 50 = 150 ó 3 x 60 = 180).

Estos hornos sólo se construyen para grandes capacidades y suelen llevar unos núcleos o armaduras magnéticas para mejor canaJiVlr el flujo inductivo por el exterior.

Las bobinas para grandes potencias (más de 300 kWA) poseen varias tomas de corriente y varias tomas de agua

Este tipo de horno para la frecuencia de la red ha conquistado en pocos afios un firme puesto en la técnica de la fundición. Principalmente se utiliza como:

a)Horno de fusión para carga gruesa y fina. b)Horno de calentamiento y sobrecalentamiento, para mantener la temperatura de un baño o sobrecalentar cargas líquidas.

Los elementos que determinan la potencia del horno, para un metal y una frecuencia dados, son el diámetro del crisol y la altura de la bobina, es decir:

Q=D H

Son hornos monofásicos siempre y dado que son siempre de más de 250 KW, no pueden ser directamente alimentados por la red, intercalándose un equilibrador estático o rotatorio.

3.12

Las ventajas de estos hornos son:

a) Calentamiento directo de la carga por transmisión inductiva de la energía, aprovechándose así al máximo la energía eléctrica suministrada. b) Mezclado vigoroso del metal fundido. c) Rápida fusión de las virutas cuando se dispone de un depósito líquido que las recibe. d) Determinación segura de los análisis. e) No existen sobrecalentamientos locales como en los de canal, por cuya razón, aún fundiendo virutas, las pérdidas por combustión son mínimas. f) Buena regulación de temperatura, ya que la conducción de la potencia es graduada mediante un regulador de tensión. g) El crisol se fubrica fácilmente con masa ácida, básica o neutra. h) Marcha limpia en el Taller de Fundición. Eventualmente se puede disponer de una captación de polvo. i) Manejo fácil. j) Conexión directa a la red de corriente tri:t3sica existente intercalando eventualmente un transformador de regulación. k) Gastos mínimos de instalación. 1) Gastos mínimos de explotación y de entretenimiento.

Construcción:

El horno se compone esencialmente de: a) Horno propiamente dicho.

Universidad de Málaga

Hornos de fusión

b) Armazón basculante. c) Asiento basculante. d) Crisol.

Hornos sin canales de alta frecuencia.

Estos se diferencian de los de baja en que carecen de núcleo o culatas magnéticas y en el inevitable convertidor de frecuencia

Estos hornos han sido superados por los de B.F. y sólo se emplean para fusión de metales preciosos y laboratorio, así como fusión al vacío y otras aplicaciones especiales.

Están constituidos, semejantemente a los de baja frecuencia, por lUla espiral (enfriada por circulación de agua dentro de los tubos de cobre que la constituyen) de sección rectangular o cuadrada, dentro de la cual va instalado un crisol que contiene el metal que se ha de fundir (véase figura siguiente). En esta misma figura a es el crisol de material refractario apisonado, b la espiral de cobre que le rodea, (de sección cuadrada hueca), que se enfría con el agua que llega por la tubería c. La llegada de corriente tiene lugar por las bomas e. Para efectuar la colada se hace girar el horno, por ejemplo, mediante un pistón hidráulico, sobre un eje d.

El revestimiento del cuarcita de granulometría hace plástica mediante la adición entre el 6 y el 8%. Hay que preparación de este continuación, y que será resquebrajaduras.

horno se forma con una masa de adecuada al tamaño del horno, que se de caolín en una proporción que varía prestar una gran atención tanto a la revestimiento como al secado que va a realizado muy lentamente para evitar

También se puede preparar este revestimiento usando cuarcita triturada y ácido bórico en la proporción del 1,5 al 3%.

La capacidad de esta clase de hornos puede variar desde unos pocos kg hasta 10 o 12 t con potencias que alcanzan 2.000 kW.

Mientras que en los hornos de baja frecuencia expusimos que se emplea la corriente industrial con 50 Hz, en los hornos de alta frecuencia ésta puede variar de 500 a 3.000 Hz, pudiendo llegar en ocasiones a 20.000 Hz y más en pequeños hornos experimentales.

Los hornos de inducción de alta frecuencia poseen notables ventajas: su producción es de gran calidad, con oxidaciones muy reducidas y análisis muy constantes. Sin embargo, frente a estas indudables ventajas, tenemos que los gastos de primera instalación son muy elevados. Su uso es recomendable en los Talleres de Fundición de acero que producen aceros aleados especiales o bien aleaciones de hierro colado, yen menor escala en los Talleres de Fundición de hierro colado gris que desean prescindir del cubilote.



CALCULO CARGA DE UN CUBILOTE

Queremos fabricar con un cubilote de 075 c~ engranajes de peso comprendido entre 35-

40 Kg. cada uno con espesores medios de 20-25 mm. La tensión de rotura tiene que ser superior

Para poder obtener este caldo en el taller se dispone de:

- Fundición hemetita (mineral de hierro oxidado, oligisto) de composición química C 3,6

%, Si 2,5%, Mn 0,6%, P 0,05%, S 0,005.

- Chatarra de primera calidad con espesor de 20-30 rnm., y análisis químico C 3,3%, Si

1,7%, Mn 0,6%, P 0,3%, S 0,08%.

- Chatarra de acero con análisis químico C 0,1%, Mn 0,35%, P 0,08%.

- Ferro aleaciones: fundición silicosa del 1 0-12% Si, fundición manganesífera 18-20% Mn.

- Chatarra de piquera y colada similar al de las piezas a fabricar.

De experiencia de coladas precedentes, el análisis aconsejable es C 3,3%, Si 1,7%,

Mn 0,8%, P 0,35%, S 0,08%. Del examen del análisis por la experiencia del maestro fundidor se

ajusta:

El carbono debe de ser reducido de 3,6% a 3,3%.

El silicio debe de ser reducido 2,5%.a 1,7%.

El manganeso debe ser aumentado.

Se prevé que hay que efectuar una carga compuesta por 30% de lingotes, 30% de chatarra

de piquera y colada, 7% de chatarra de acero y el resto un 3% de Ferro aleaciones.

La chatarra de piquera y colada es un residuo de las fusiones precedentes y debe ser

consumida por completo en cada fusión sucesiva, pues se supone que tiene un análisis similar al


Hornos de fusión

de las piezas finales.

Cada carga que se introduce en el cubilote va a tener un peso aproximado de 400 Kg:

Fundición nueva en lingotes 400 x 0.30 = 120 Kg.

Chatarra de fundición 400 x 0.30 = 120 Kg.

Chatarra de piquera y colada 400 x 0.30 = 120 Kg.

Chatarra de acero 400 x 0.07 = 28 Kg.

Ferro aleaciones 400 x 0.03 = 12 Kg.

Resuha que para cada carga de 400 Kg. sera preciso afiadir:

400 S = 0,17

100 =0,68Kg.

400 Mn = 0,275

100 =l,lOKg.

Dado que el silicio se reduce, dado lo exiguo de la cantidad, bastara afiadir a cada carga

dos pastillas de 500 gr. de ferrosilicio del 50%:

2 x 500 x 0,5 = 500 gr. de silicio metálico.

Para el manganeso ya que la fundición contiene el 18% , necesitaremos afiadir:

1,lxlOO M D = 18 =6,lKg. que la redondearemos a 7-8 Kg. por carga



Cada una de las cargas metálicas que introduciremos en el cubilote estará formada por:

CARGA METÁLICA Kg

FUNDICIÓN DE HEMETÍTA EN LINGOTES 120

CHATARRA DE FUNDICIÓN METÁLICA la CALIDAD 120

CHATARRA DE PIQUERA Y COLADA 120

CHATARRA DE ACERO 30

DOS PASTILLAS DE 0,5 Kg. DE Fe-S~ AL 50% 1

FUNDICIÓN MANGANESÍFERA DEL 18% 8

TOTAL CARGA 399 Kg.


TEMA 4

MOLDEOS ESPECIALES

Fundición en coquilla.

La colada en coquilla por gravedad se usa ampliamente para la producción en serie de piezas fundidas, particularmente en aleaciones no férreas, por las ventajas que presenta con relación a la colada en moldes de arena:

- gran rapidez de producción, - precisión y exactitud de forma y dimensiones, - bajo coste en comparación con el moldeo en arena, - compacidad y mejora de las propiedades mecánicas de las aleaciones.

Algunas piezas de fundición de acero pueden, así mismo, colarse convenientemente en coquilla cuando se requieren especiales características estructurales en las piezas fundidas (fundición templada) o para fabricaciones en serie.

La realización de un molde metálico permanente parece ser, a primera vista, una solución racional. Esta solución, sin embargo, sólo es aplicable cuando el metal colado no tiene un punto de fusión demasiado elevado (caso del plomo, del zinc, etc.). En lo que concierne a la fundición de hierro, la solución no siempre es aplicable de forma íntegra. A veces se incorporan, en moldes de arena, ciertas partes metálicas llamadas enfriadores que sirven para enfriar la fundición, y que determinan de este modo un temple parcial. Las superficies de los enfriadores se recubren de una capa de grafito destinada a protegerlas contra la fundición líquida.

La maniobra de las coquillas, consistente en la apertura y cierre de ambas partes, en el movimiento de los machos y en la maniobra de los extractores o expulsores de las piezas, más que con máquinas propiamente dichas, se efectúa con utillaje creado especialmente para cada caso. Se colocan varias máquinas o equipos en carrusel mediante el cuál, delante de un puesto de colada fijo, se presentan una tras otra las coquilla de varias o de las mismas piezas, según los casos.

Cuando el ritmo de producción provoca un sobrecalentamiento de las coquillas, se recurre al enfriamiento por circulación de agua, o con chorros de

~o

aire comprimido; del mismo modo, inicialmente, se recurre al precalentamiento de las coquillas.

4.1


Las coquillas se construyen de hierro colado de buena clase, estabilizado, aunque también se está empleando el acero, grafito, cobre y aluminio. Los machos son extraídos mientras la pieza está todavía caliente.

Proceso de colada.

Los moldes pennanentes pueden ser usados aisladamente o montados en mesas giratorias para producción en masa. La secuencia de operaciones es la siguiente:

1°._ Limpieza de los moldes haciendo uso de una brocha o por soplado con aire templado y mantenimiento de los mismos a la temperatura de la colada del metal de la pieza, mediante una llama de gas propano o petróleo. La temperatura correcta de la operación solamente puede determinarse por experiencia y varía con la pieza a fundir.

2°._ Pintado o rociado de la superficie del molde en contacto con el metal liquido, con una lechada refractaria delgada, con una suspensión de grafito coloidal, o depositando carbono que proviene de una llama reductora de petróleo o de gas butano o propano.

3°._ Inserción de machos, si son necesarios, y cierre del molde a mano o automáticamente.

4°._ Colado o vertido del metal por medio de una cuchara de mano o de una cuchara suspendida en una carretilla móvil.

5°._ Sacar la pieza fundida del molde, automáticamente con un expulsor o a mano.


Moldeos especiales

Las fundiciones en coquilla se emplean comercialmente para obtener piezas de estaño, plomo, aluminio, magnesio, cobre y hierro colado, así como de sus aleaciones. En este tipo de fundición se obtienen mayores volúmenes de fundición que con arena, pero el proceso es mucho más lento que el de la fundición inyectada.

Colada centrífuga.

La fuerza centrífuga ha sido usada de múltiples maneras en la industria de la fundición como medio para el llenado de los moldes destinados a fabricaciones tubulares, así como para la purificación de los metales.

Desde su invención en 1809 por Antonio Ekart, de Birmingham, se patentó un procedimiento de colada centrífuga en moldes que giraban en torno a un eje horizontal, vertical o inclinado, este procedimiento ha gozado de la atención de ingenieros y promotores durante períodos claves de unos cuantos años cada ve~ aunque solamente han surgido a la explotación comercial un número limitado se las aplicaciones desarrolladas.

En los últimos años, este sistema se ha difundido mucho para producciones económicas de gran serie, habiéndose aplicado además a la fabricación de tubos, cilindros, casquillos, etc., en hierro, acero, bronce, latón, etc., a los proyectiles de cañón y gran número de piezas obtenibles en moldes rotatorios con eje vertical, horizontal o inclinado.

También la colada centrífuga (o más exactamente semi o seudo centrífuga) se ha extendido en sus aplicaciones en odontología y orfebrería, así como a la producción industrial (microfusión centrífuga).

Recientemente se han desarrollado en EE.UU. algunos sistemas de colada centrifuga en moldes permanentes divididos en dos mitades, con delgados revestimientos de siliciuro de hierro, que permiten producir piezas de fundición gris sin recocido y, en particular, tubos por el sistema NOTAN.

La colada centrifuga tiene por objeto aumentar la presión sobre el metal líquido, contenido en un molde que gira a tal velocidad que supera la gravedad, de modo que el metal se proyecta violentamente contra las paredes del molde. Si la pieza tiene la forma de un sólido de revolución hueco, la cavidad se obtiene sin necesidad de machos, dependiendo el espesor sólo de la cantidad de metal introducido en el molde.

En la técnica de colada centrifuga se pueden distinguir:

a) Colada centrífuga propiamente dicha (a).

La pieza puede adoptar cualquier forma, mas la cavidad interior ha de ser siempre cilíndrica (con independencia de la forma externa) y se obtiene sin machos por rotación del molde en tomo a un eje horizontal, vertical o inclinado. La fuerza centrífuga forma el diámetro interior de las piezas, tales como tubos.



b) Colada semicentrífuga (b).

Se aplica a la fabricación de un tipo limitado de piezas redondas, como ruedas, anillos, volantes, casquillos, cojinetes, etc., en moldes permanentes o de arena, que giran alrededor de un eje vertical. en los que el metal se cuela por un orificio centrado en el eje y se distribuye en la cavidad del molde, simétrico respecto al eje de rotación. En este caso se necesitan machos y alimentadores.

c) Colada en moldes centrífuga (c).

Consiste en llenar un molde a través de un delgado canal. favoreciendo la entrada de metal con el awnento de su presión metalostática mediante la veloz rotación del molde en tomo a un eje que no pasa por el molde; o bien disponiendo de forma simétrica en torno a un bebedero central, un grupo de moldes, como en la colada en racimo, es el método comúnmente más usado por los orfebres y técnicos odontólogos y se denomina de la honda.

Cada uno de estos sistemas se utiliza en moldes permanentes (coquillas) o de arena aglomerada. La elección de uno u otro sistema depende del número de piezas a producir y del tipo de aleación.

(a) Centrifuga (b) St:miu!llIrifuga (e) .. lIIOkb(m nocimo)

Colada centrífuga con eje horizontal.

Las máquinas para la colada centrífuga en moldes que giran en tomo a un eje horizontal, coincidente con el eje de simetría de la pieza, constan esencialmente de dos ejes paralelos, cada unos de los cuales soporta dos o más rodillos sobre los que gira el molde. Un rodillo superior mantiene el molde adherido a los rodillos inferiores. Los moldes deben estar perfectamente centrados y equilibrados.

La figura muestra el esquema de la colada en un molde permanente, en cuyos extremos se acoplan dos cercos, generalmente de arenas aglomeradas, que le impiden la salida al metal


Moldeos especiales

líquido y delimitan la longitud de la pieza. Además, se muestra un molde con arena aglomerada, que va dentro de una caja cilíndrica torneada y equilibrada.

A

..., ' .' ... ~ ------! _ ___ o

i • - --------..-

Los moldes de arena e pueden construirse en la misma caja con un modelo perfectamente centrado y una máquina de sacudidas o un pistón neumático, según la altura del cilindro. Finalmente, A es la pieza fundida y F es el macho de cabeza. En producciones más mecanizadas los moldes de arena se construyen en una caja de machos, siendo estufados y rectificando su exterior para poder montarlos en la caja cilíndrica.

Los moldes llevan en su extremo un anillo de fondo yen el extremo opuesto un anillo móvil. Por lo general se dispone de una serie de cajas para completar el ciclo de moldeo-coladaenfTUurriento~esmoldeo.

Colocado el molde pennanente, o la caja que contiene el molde de arena, sobre los rodillos de la máquina, se inicia la rotación a la velocidad establecida. A continuación, se cuela el metal en la pipa. El metal penetra en el molde y es proyectado por la fuerza centrífuga contra las paredes, formando una pieza que por fuera adopta el perfil exacto del molde y por dentro es perfectamente cilíndrica, a condición de que la fuerza centrífuga sea bastante mayor que la gravedad. El espesor de la pieza sólo depende de la cantidad de metal vertido en el molde.

Colada de tubos.

La colada centrífuga de tubos es un caso particular de considerable importancia, dada la demanda que existe de ellos, sobre todos para tuberías de agua, gas, oleoductos, etc.; y las máquinas que se usan para la producción responden a los tipos fundamentales: máquinas con desplazamiento del molde y máquinas con desplazamiento del canal.

La coquilla va dentro de una robusta camisa protectora y puede calentarse iniciahnente con ayuda de un mechero, así como refrigerarse durante el trabajo. El espesor del tubo depende de la cantidad de fundición que cae en la coquilla en la unidad de tiempo, por unidad de superficie de la coquilla. Es, por tanto, función de la fluidez del caldo, de las dimensiones del orificio del canal de colada, de la presión metalostática, de la inclinación del primer trecho del canal y de la velocidad de rotación y de traslación de la coquilla o del canal.

En la práctica se persigue mantener constantes todas estas variables, para cada tipo de tubo, y variar sólo la velocidad de traslación, que es el detalle más delicado del sistema.

Una vez efectuada la colada, y cuando el tubo está suficientemente frío, se detiene la rotación de la coquilla y se afloja el cierre que sujeta en su lugar el macho del enchufe del tubo y después, mediante pinzas con su mecanismo, a mano o por aire a presión, se extraen los tubos



con bastante facilidad pues, al contraerse debido a su enfriamiento, se separan del molde. Si éste es de arena, el molde sale con el tubo y se procede al desmoldeo a la vez que se introduce un nuevo molde en la máquina.

Las coquillas se rocían antes de cada colada con una suspensión de siliciuro de hierro que, al adherirse a las paredes, forma una película protectora que contribuye a eliminar el efecto templante. El método es aplicable adecuadamente sólo para prolongadas campañas de fabricación continua.

La colada centrífuga con eje horizontal puede efectuarse en piezas de perfil vario, es decir, el molde de arena puede tener cualquier perfil externo con tal que el interno sea perfectamente cilíndrico. Al igual que para los enchufes de los tubos, es posible modificar el perfil interno mediante machos, que por otra parte sólo pueden disponerse en los extremos de los moldes.

Para piezas de longitud limitada, como por ejemplo, camisas de motores, manguitos, casquillos de cojinetes, etc., se puede usar un solo molde metálico de paredes exteriores troncocónicas. Bastará colocar el correspondiente molde de arena que proporcione la superficie externa del manguito, casquillo, etc.

Colada centrífuga con eje vertical.

Cuando el eje de rotación es vertical, el metal tiende a acumularse por su propio peso en el fondo del molde, en tanto que la fuerza centrífuga tiende a adherirlo a las paredes. La forma de la curva de equilibrio está determinada por la dirección de la resultante R (nonnal a la tangente de la curva en el punto A) Y depende de la velocidad de rotación y de la densidad de la aleación (fig. 4.7). La cavidad interna tiende, por tanto, a asumir la forma de un paraboloide que se aproxima a la de un cilindro, de manera que una pieza de altura. no excesiva sólo presenta una ligera conicidad en la base, fácilmente eliminable por mecanizado.


Moldeos especiales

En la figura se observa la influencia de la velocidad de rotación sobre la forma de los paraboloides de equilibrio.

Las máquinas son relativamente simples.

Ventajas e inconvenientes de la colada centrífuga.

La verdadera colada centrifuga en molde, tanto de eje horizontal como vertical, ofrece muchas ventajas, entre las que cabe destacar:

a) Eliminación de machos. Es posible obtener piezas huecas sin necesidad de machos centrales. Las cavidades internas han de ser forzosamente de forma cilíndrica.

b) Eliminación de bebederos y mazarotas. Se consiguen rendimientos altísimos que pueden alcanzar al 95% Y teóricamente el 100%. La pieza fundida resulta más compacta aún sin mazarotas; no son necesarios los canales, debido a que prácticamente es como si se colara en moldes abiertos; la alimentación de la pieza es gradual y la fuerza centrifuga equivale a una notable presión metalostática

c) Velocidad de producción. Se puede adaptar perfectamente a la producción en serie. La velocidad de producción es máxima en la colada en coquilla.

d) Purificación del metal. Durante la solidificación, las impurezas, siempre más ligeras que el metal, tienden a concentrarse en la superficie interna de la pieza, de la que se puede suprimir por mecanizado. Lo mismo sucede con las eventuales inclusiones gaseosas. La centrifugación es, por tanto, un medio fisico de depuración de las aleaciones.

e) Mayor densidad y compacidad. Esto es debido a que las aleaciones solidifican en la pieza a una presión superior a la producida por el propio peso y evaluable de cincuenta a cien



veces la gravedad.

Un inconveniente de la colada centrífuga es la imitación de forma, sobre todo en la colada en coquilla y por lo que respecta a las cavidades internas, que por fuerza han de ser cilíndricas y de diámetro uniforme, independientemente de la forma externa, salvo el empleo de machos, como se ha visto para los enchufes de tubos.

No todas las ventajas citadas son posibles en la colada en coquilla, ya que en ella la solidificación puede ser demasiado rápida.

Colada semicentrifuga.

Es aplicable en moldes de arena o en coquilIa, a todas aquellas piezas que tengan forma cilíndrica o similar (ruedas anillos, discos, etc), huecos o macizos en los que el metal se intruduce por un bebedero central del molde, convenientemente equilibrado y hecho girar en tomo a un eje vertical, que pasa por el eje de simetría de la pieza colada Por efecto de la fuerza centrífuga el metal es proyectado hacia la periferia del molde para llenarlo por completo.

Pueden obtenerse agujeros centrales, por medio de machos o sin ellos, es decir, por centrifugación. En este caso el agujero central asume la forma de un paraboloide.

1 y 2. Mitades del molde 3. cajas 4. placa de fondo 5. Macho 6. embudo 7. canal con filtro 8. mazarota 9. zona central de la pieza 10.plataforma de la máquina centri-

fugadora

Colada en moldes centrífugos.

La colada en moldes centrífugos tiene por objeto mcilitar la entrada del metal en moldes complicados y basta sus puntos más recónditos, aumentando la presión metalostática con ayuda de la fuerza centrifuga producida por la veloz rotación del molde alrededor de un eje externo, o bien disponiendo, simétricamente respecto a Wl 8&b.d.ro

bebedero central, sobre una mesa giratoria, un grupo de moldes a los que lleguen los canales de colada horizontalmente.

Microfusión.

MoId.

Bajo la denominación común de micro fusión se designan hoy todos aquellos


Moldeos especiales :~ -r

procedimientos de fundición en los que los moldes se preparan con modelos constituidos por un material fusible y en general también combustibles (cera, parafina, plástico, etc.).

Este sistema tiene su origen en el moldeo sobre cera perdida, en la cuál el modelo (positivo), hecho de cera, es revestido, para usar la nomenclatura americana (investment casting), del material de moldeo y eliminado (perdido) luego por fusión, para dejar libre el molde (negativo) donde se ha de colocar el metal.

El moldeo sobre cera perdida se ha venido empleando desde mucho tiempo para la fundición de piezas artísticas en aleaciores de bajo punto de fusión (bronces, latones, etc.), dada la gran facilidad de preparación del modelo, que puede ser plasmado y retocado, sin esfuerzo alguno, por el mismo escultor.

Hace casi treinta que este sistema viene siendo aplicado a la prótesis dental (para pequeñas fundiciones en metales preciosos y en acero inoxidable), usándose como material de moldeo la arena silícea y como material aglomerante el silicato de etilo; de aquí el procedimimento ha pasado, con elaboraciones diversas, al campo industrial para la producción de pequeñas piezas de forma complicada, en medianas y grandes series, con restringida tolerancia de medidas, o en aleaciones de dificil trabajo mecánico.

En la rnicrofundición se puede emplear, para los modelos, materiales como la cera, la resina tennoplástica, el mercurio congelado, etc.; y para el material de moldeo desde el yeso a la arena silícea. Se puede recurrir a la colada por gravedad, a presión o por centrifugación; las figuras siguientes ilustran sobre uno de los métodos más difundidos, con moldes de arena aglomerada con silicato de etilo, y fusión en el horno de arco voltaico.

a) Inicialmente se prepara el primer modelo, normalmente de metal (alguna vez de caucho).

b) Con este primer modelo se prepara la coquilla, sencilla o múltiple; se dispone en un marco y se cuela encima una aleación de bajo punto de fusión, de contracción nula.

e) Se inyecta bajo presión en esta boquilla cera o resina, etc., según los procedimientos, para obtener los modelos secundarios.

Primor modelo y coquill. múltipk para lo. modelos s«Uftd.rios d. cera.

Colada de Jos modelos secundario> de cera .


~:, ;;. Confurmado por moldeo

d) Se sueldan los modelos secundarios sobre varillas de soporte de ce~ a su vez unidas a un bebedero para formar un racimo no muy complicado y fácil de manejar.

e) El racimo se recubre primera por pulverización o inmersión con una suspensión especial de sílice coloidaL y después es espolvoreado abundantemente con arena silícea fina

f) Se dispone el racimo en una caja de acero inoxidable, en la cuál se echa el material de moldeo, constituido por arena silícea molida y aglomerada con una solución alcohólica de silicato de etilo hidrolizada; luego se deja evaporar el disolvente para que el material de moldeo se endurezca (fig. 4.20).

Soldadura de los mode • .,. '1 fo<macióft dd n · cimo. coa. entradas. canaln

de colada '1 bebedero.

Reve1timiento del raci· mo con sílice coloidal y espolvo

reado COIl Irc:\& sillcet IinL

"=====:1 Introducci6R

del racimo en un. caja de acero in,,, ¡dable.

g) Se calienta moderadamente la caja en un horno donde se elimina la cera, recuperándola en parte para los moldeos sucesivos.

h) Se cuece el molde en un horno a alta temperatura y se obtienen así moldes en negativo de superficie muy lisa que reproducen con exactitud el primer modelo.

la caja se 11en. con el material de molcHo.

Calentamiento moderado de la foro ma para rec~nr l. ~era de lo, madelos.

i) La caja está lista para colar el metal, fundido en horno de arco o de inducción; en la figura se representa un procedimiento de colada directamente desde el horno.


Moldeos especiales

Fijado de 1& caja • l. piq"",. de <,,"'da del horno .Ié<:trico ba.ctJlantc.

En la micro fundición se puede fundir cualquier aleación, pero está particularmente indicada para piezas de acero:

1.- Piezas de acero común y aleado de forma muy compleja que, si se hiciesen de un tocho requerirían una larga serie de trabajos mecánicos, por ejemplo: lanzaderas, pedales, manivelas, etc., para las máquinas de coser; mordazas fija y móvil de llaves inglesas; piezas para annas como articulaciones, cerrojos, seguros, gatillos; piezas para motores de combustión como balancines de válvula. antecámaras de combustión, etc.

2.- Piezas de acero inoxidable austenítico estabilizado o de aleaciones resistentes al calor; por ejemplo, álabes para turbinas de combustión.

3.- Piezas de acero rápido, acero martensítico, etc.

Los limites de peso van normalmente de unos gramos hasta los 500 gramos, aunque se dan casos aislados de piezas de hasta 12 kg de peso.

Las tolerancias dimensionales de las piezas son restringidas; en casos particulares pueden ser posteriormente reducidas, más no conviene pretender demasiado para no aumentar excesivamente los desechos dimensionales. Normalmente, la micro fundición puede asegurar tolerancias del 0.5% sobre las dimensiones lineales de la pieza; es decir, si una pieza tiene sobre el diseño la longitud de 50 mm, podrá resultar, después de firndida, de longitud comprendida entre 50,25 y 49,25 mm



No se puede, sin embargo, bajar normalmente por debajo de 0,1 mm. En casos particularísimos, y por lo regular sobre una sola cota, se puede garantizar 0,05 mm.

Moldeo Mercast.

Es una variante de la cera perdida que utiliza mercurio en vez de cera. Con este procedimiento se logran piezas de alta precisión de medida, con tolerancias muy estrechas.

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El procedimiento es el siguiente:

1) Se realizan los modelos y medios moldes igual que en el procedimientode la cera perdida, sólo que el molde es recomendable sea de acero.

2) Se vierte mercurio en los medios moldes unidos; se introduce en un baño de acetona a -75° y el mercurio queda sólido (solidifica a-40°).

3) Se sacan los moldes del baño y se extraen y unen los medios moldes de mercurio. 4) Se sumerge el modelo de mercurio sólido en un baño cerámico a temperatura inferior


Moldoos especiales

a la de congelación del mercurio, recubriéndose el modelo de una capa cerámica de un espesor de 3 a6mm.

5) Se calienta el modelo de mercurio para licuarlo y se evacua, quedando el recubrirrúento cerámico formando el molde.

6) Se cuece el molde cerámico a temperatura elevada adquiriendo ese las cualidades de la porcelana (superficie extraordinariamente lisa).

7) El molde cerámico cocido se coloca en una caja con arena y se realiza la colada. 8) Después del enfriamiento se rompe el revestimiento cerámico y queda la pieza IDO Ideada

con una elevada precisión.

Moldeo en cáscara.

Este método es útil para piezas de bronce, aluminio, latón, acero, con superficies externas muy cuidadosas, mínimos peligros de sopladura y gran precisión. Se realiza el molde poniendo arena extrasilicea (la arcilla debilitaría el molde) aglomerada con resina plástica termoendurecible en contacto con una placa modelo o caja de machos previamene calentada (200-260°). Por efecto del calor, la resina aglomera a la arena en un espesor de 5 a 8 mm, según el tiempo de contacto y calidad de la resina, quedando un molde muy poroso en forma de cáscara que se separa del modelo.


ContOnnado por moldeo

Los modelos empleados deben ser buenos conductores del calor y resistir calentamientos y enfriamientos sin deformarse. Se fabrican generalmente de fundición, pero pueden ser también de aluminio, latón y bronce para pequeñas series. Se preparan en medios moldes y después se unen. Deben ir montados en una placa.

Las arenas se recuperan quemando los moldes para que pierdan las resinas. Se puede hacer

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con máquinas.

4.14

Ventajas - Rapidez - Precisión(no hay cajas) - Homogeneidad de piezas

Inconvenientes - Modelos y arenas caros

- No se puede emplear para fabricar el modelo madera, yeso ,etc.


Moldeos especiales

Moldeo al CO2.

Es un procedimiento para endurecer los moldes y machos de arena sin necesidad de cocerlos. El molde o macho se prepara como si fuese en arena verde y cuando está terminado se hace pasar a través de su masa CO2 que produce gel de sílice, el elemento que endurece la arena.

El CO2 se suministra en botellas de alta presió~ que lo contiene en estado líquido. La presión de salida suele ser de 1,5 Kg/cm2

• Las mezclas empleadas están formadas por:

Arenas, extrasilicea (máximo 1 % arcilla) y muy secas. Aglutinantes, silicato sódico (sílice, óxido de sodio yagua) Desmoronantes, dextrina, negros minerales, harina de madera. Se emplean para desmoronar los moldes y los machos en el desmoldeo (se produce endurecimiento secundario después de colar el metal).

Los moldes utilizados son los mismos que los empleados en arena ordinaria, pero no deben utilizarse barnices que puedan ser atacados por los componentes alcalinos. Se recomiendan los modelos partidos para favorecer la extracción y evitar agarrotamientos.

Ventajas: - N o es necesario cocer las arenas y

evita la armadura de los machos

Inconvenientes: - Los machos se desmoronan mal - Las arenas son irrecuperables

- Gran precisión de cotas - La arena una vez preparada, tiende a - Rápido y barato endurecerse con el CO2 del aire


TEMA 5

FUNDICIÓN A PRESIÓN

Generalidades.

Entre los diversos procedimientos de colada introducidos definitivamente en la práctica industrial, el método de fundición a presión es ciertamente el que está llamado, al menos para piezas en grandes series de aleaciones no férreas, al más amplio desarrollo.

La gran cantidad de piezas que está en condiciones de suministrar y el bajo costo de las mismas, unido a la posibilidad de reducir al mínimo el mecanizado posterior, ha orientado decididamente en este sentido la técnica constructiva, que se vale de este método cada vez que se presenta el problema de producir, a bajo precio, una nwnerosa serie de piezas, a las que se les exigen importantes características mecánicas y estéticas.

Para la fundición a presión se necesitan máquinas; éstas, aunque se basan todas en el principio común a este procedimiento de colada, consistente en la introducción violenta de cierta cantidad de metal fundido o pastoso en un molde permanente, por medio de una presión ejercida desde el exterior, son variadísimas; pero la técnica moderna se ha orientado hacia unos pocos tipos que se clasifican así:

a) Máquinas con cámara de presión caliente, o para fundición inyectada. b) Máquinas con cámara de presión fría, o para fundición a presión.

Máquinas para fundición inyectada.

Estas máquinas están constituidas por dos partes esenciales, una que sirve para el emplazamiento de la matriz y otra (cámara de fusión) para la fusión y la conservación del material líquido. En el interior de esta última está dispuesta la cámara de presión que suministra cada vez la cantidad de metal necesaria para una pieza.

Tales tipos de máquinas se distinguen a su vez en dos categorías:

1) Máquinas con cámara de presión por inmersión. 2) Máquinas de pistón swnergible.

1) Máquina con cámara de presión por inmersión:

En las máquinas de este tipo, la cámara de presión 0, con forma de trompa y oscilante dentro de la cámara de fundición, está unida a un depósito de aire comprimido, variable entre los 20 y los 60 kg/cm2

, mediante un tubo flexible S. Por medio de un sistema de palancas, se swnerge

5.1

Contonnado por moldeo

la cámara de presión en la cámara de fusión, para llenarla de metal líquido y comprimirla sucesivamente contra la matriz H, para efectuar la inyección mediante emisiones de aire comprimido. La apertura y el cierre de las matrices lo efectúan mecanismos a propósito L, maniobrados, según la potencia de la máquina, a mano o hidráulicamente.

Las máquinas con cámara de presión por inmersión son adecuadas para la fundición de aleaciones de plomo, zinc, estaño y aluminio, y con ellas es posible efectuar la colada de piezas pequeñas y medianas; las casas constructivas más adelantadas tienden, sin embargo, a abandonar la fabricación de este tipo de máquinas para orientarse resueltamente hacia las máquinas de cámara caliente de pistón sumergible y hacia las máquinas de cámara fría, pudiéndose decir que es raro que se construyan ya.

A ('.ámanldepn:sión

aliente por inmeníOn.

Las máquinas que hemos descrito, en efecto, aparte de ser más bien lentas (la producción máxima es de 40 a 60 piezas por hora), presentan algunos inconvenientes que están implícitos en el sistema mismo de funcionamiento.

k---:-:" -- ' - -~ F'rrJ"TT"7 ................. -v I 1

- Para llenar la cámara de presión se toma el metal de la superficie y, por consiguiente, escorias y óxidos pueden entrar con facilidad junto con el metal en la matriz y comprometer así la obtención perfecta de las piezas.

J. . _. _ _ _ _ 1.

B

e

- En el caso de las aleaciones de aluminio, el hierro procedente de la fundición de la que están constituidas las cámaras de fusión y de presión, debido a la elevada temperatura de colada (::::: 750°C), y la velocidad de inyección del metal, tiende a pasar en solución al baño, por lo que produce, además de un notable desgaste de las partes de la máquina que están en contacto con el metal fundido, la contaminación del metal, lo que resulta absolutamente indeseable por la desmvorable acción del hierro, sea sobre las características mecánicas de la aleación, sea sobre las características técnicas.

2) Máquinas de pistón sumergible:

Estos tipos de máquinas han sido ideadas para la producción de piezas de aleaciones de plomo, estaño y zinc, y, aplicando algunos mecanismos particulares para proteger el material contra la oxidación, el magnesio. No son, en cambio, adecuadas para la fundición de piezas de aleaciones de aluminio. En la figura 5.2 puede verse un esquema de máquinas de este tipo.


Fundición a presión

B

e

La apertura y cierre de las matrices, que en las máquinas más pequeñas se efectúan con dispositivos mecánicos a mano, en las máquinas de mayor potencia se realizan mediante mandos hidráuIicos; en algunas máquinas, dispositivos especiales regulados a tiempo permiten efectuar automáticamente y sin interrupción entre un ciclo y otro, la inyección, la apertura y el cierre de las matrices.

De ello deriva una grandísima rapidez de producción que, en máquinas muy pequeñas y con piezas sencillas de pocos gramos, consigue llegar hasta las 1000 piezas por hora. La presión ejercida por el pistón en el metal oscila generaImente, según las máquinas, entre los 40 a los 150 kg/cm2

• También cualitativamente la producción efectuada con este tipo de máquinas es mejor, porque la posibilidad de efectuar la inyección sin mezclar el metal con el aire se traduce en una ventaja para la

compacidad y, por consiguiente, para las características de las piezas.

Máquinas de cámara fría.

En este procedimiento, el metal, contenido en un horno normal, a propósito para el material a fundir, es sacado cada vez a mano con una cuchara y echado en la cámara de presión Q, en donde es comprimido contra la matriz B, por un pistón E movido hidráulicamente (fig 5.4).

La presión ejercida sobre el metal fundido varia en estas máquinas, según la potencia, de los 150 a los 1500 kg/cm2, y la posición del pistón puede ser lo mismo vertical que horizontal.

La máquina es semiautomática, no obstante se están adaptando dispositivos de llenado, que tienden a una automatización del proceso. En efecto, el metal es producido y mantenido fuera de la máquina (horno de crisol, inducción, etc.) y es vertido en el cilindro de presión por uno de los siguientes procedimientos:

a) Con cazo, manual o mecánicamente. b) Por horno basculante y canal de conducción. c) Mediante un crisol hermético, actuando la presión neumática en la superficie del baño, que hace circular el caldo por un tubo de elevación y canal de conducción. d) Por medio de una bomba electromagnética



Estas máquinas son las únicas utilizadas para las aleaciones de Al, Cu y Ag e incluso fundición gris. Por sus ventajas también se cuelan las otras aleaciones, Pb, Sn, Zn, aún siendo su rendimiento menor y el coste más elevado. Pero estas máquinas son de características más flexibles y universales ya que pueden regularse las presiones hasta valores enonnes, así como la velocidad de inyección, y por otro lado su duración y su conservación es mucho mejor.

1) Máquinas de pistón vertical:

En la figura se ve el modo de trabajar de la primera máquina y la que fue más usada en principio. La masa introducida en la cámara es retenida por un contraémbolo que al principio obstruye la tobera. Hasta que el émbolo no haya efectuado determinada presión, lo que permite una expulsión previa de aire, no queda el caldo enfrentado con la tobera. Con ello no sólo se impide una entrada de aire, sino que se evita que parte de caldo ocupe la tobera o incluso el canal de co lada antes de producirse la auténtica presión de trabajo.

Cámant de presión fria coa pistón vertical

En todas las máquinas de pistón vertical tenemos las siguientes características comunes:

- Presión ~ 700 kg/cm2

- Volumen del cilindro ::;; 15 kg en Al. - Velocidad y presión regulables sin escalonamiento.

El único inconveniente es no poder conseguir piezas de gran tamafio y dificiles de obtener en aleaciones muy fluidas.

2) Máquinas de pistón horizontal:

La industria constructora se ha inclinado cada vez más por la mejora y perfeccionamiento de las máquinas de pistón horizontal. Están siendo más aceptadas dado que son más bajas y más accesibles a los órganos principales, cual es el pistón y todo lo que le rodea; sistema de engrase y refrigerante, órganos motores, etc. Con estas máquinas no se precisa el recorte de sobrantes.

La cámara o cilindro no queda nunca rellenada de caldo, por lo que el aire que se encuentra en ella es inyectado conjuntamente con el caldo; pero, como el pistón trabaja siempre de forma paulatina y no bruscamente, este aire es llevado delante del caldo en todo momento.

Como, tanto en las piezas de mucha superficie como en las fusiones en ramillete, necesitamos secciones totales de ataque (sección por donde entra el caldo a la pieza) amplias, en las matrices correspondientes se practican canales de colada repartidores hasta ganar las zonas



de piezas. Pero incluso en piezas pequeñas es aconsejable colar a través de canales, y no directamente a la pieza, debido a la peor repartición del caldo y a la mayor dificultad de separar el bebedero de la pieza en el desbarbado.

Las cámaras o cilindros se construyen de acero refractario o de acero de construcción con el interior nitrurado. Los émbolos, de acero aleado, deben ser más blandos que los cilindros y serán recambiados cuando presenten desgaste. Los mismos pueden ser de bronce al berilio, en su totalidad o con una parte de desmontable.

a ,-

Las características comunes de estas máquinas son las siguientes:

- Presión = 3000 -;- 7000 kg/cm2•

- Velocidad del émbolo 0.1 -;- 6 mis. - Peso, de pocos gramos a 40 kg en piezas de Al.

El ciclo de trabajo de las máquinas de cámara fría sólo permite producciones que pueden llegar a un máximo de 100 a 150 piezas por hora.

e ,-

Fíg. 5.4

A continuación se reproduce un cuadro con las características de los tres tipos de máquinas que en la actualidad construye la firma suiza BUHLER.

Máquina Fuerza de Fuerza de Tiempo Cam:ra Esp:io Potencia Cap. Cap. Área cierre inyección por ciclo. abertura de Imre entre del motor máx. máx. frontal (Tn) (Tn) en vacío sc:mimattice columnas (CV) Al Zn nominal

(s) s HxV (kg) (kg) (cnr') (mm) (mm)

100 16 2.8 360 350x350 15- 11 1.8 4.5 400

160 23 3.2 450 435x435 25-18 2.7 6.7 640

250 35 4.5 500 500x550 30-22 3.6 9 1000

400 38.5 7 600 580x64O 30-22 6.9 17.2 1600

CáDwafrla 660 65 7 630 720x780 60-44 15.5 38.5 2640

horizontal

1000 90 10 760 840x920 75-55 17 42.5 4000

1600 140 15 1330 1300x 1300 130-% 40 - 6400

2000 170 15 1330 l300x 1300 UO-% 40 - 8000

2500 200 20 1700 1620 ' 1620 180- 132 55 10000



160 30 5 350 430x45O 25-18 2.4 6 640

Cámara fria 250 40 7 500 500 x 550 30-22 4.5 112 1000

vertical

400 60 9 600 580x64O 30-22 7.7 19.3 1600

5 0.715 1 110 155'155 7.5-5.5 - 0.15 50

40 4 2 240 3\Ox270 20-14 - L3 285

100 5.5 2.5 360 35Ox350 15-11 - 3.5 720 Cámara

caliente de 160 7 3 360 43Ox45O 25-18 - 4.9 \140 pistón

250 \O 4.5 500 500'550 30-22 - 5.4 1800

400 15 6 600 580x64O 30-22 - 10.9 2860

660 27 6 630 720x780 60-44 - 15.6 4710

Construcción de las matrices.

De capital importancia para el buen resultado de la fundición a presión son el proyecto racional y la correcta ejecución de la matriz, pues en esta técnica, contrariamente a lo que sucede en la fundición en arena y en coquilla, los factores mecánicos asumen una importancia incluso mayor que los factores metalúrgicos inherentes a la sistematización de la colada y a la alimentación de la pieza. Naturalmente con esto no se quiere decir que en la fundición a presión el estudio de la colada no deba derivar de un cuidadoso examen crítico de la configuración de la pieza, y que se pueda descuidar la elección de la aleación adecuada, o de la detenninación de la temperatura más conveniente para la fundición de la pieza; lo que se quiere significar es que, teniendo en cuenta estos factores, es indispensable en este caso, si no se quiere incurrir en sensibles fracasos, que la matriz sea construida de tal modo que se pueda garantizar su eficacia y el buen funcionamiento a la temperatura de trabajo.

En los casos más sencillos las matrices están constituidas por dos medias coquillas de acero unidas, respectivamente, una a la plancha fija a y otra a la plancha móvil b de la máquina (fig. 5.5).

Cuando la pieza es más complicada, para poder extraerla es necesario recurrir a machos móviles, cuyo movimiento puede obtenerse por diversos recursos, como el empleo de espigas inclinadas (fig. 5.6 y 5.7), mandos hidráulicos o mandos mecánicos de piñón y cremallera.

FJg5.6 Fig 5.7

Fig. 5.5



La extracción de las piezas se efectúa mediante extractores cuyo movimiento puede obtenerse, según los casos, a mano por un sistema de piñón y cremallera, o automáticamente aprovechando el movimiento de la máquina. Para obtener piezas perfectas, además de valerse de los sistemas de bebedero elegidos según la configuración de la pieza, es necesario asegurar que el aire contenido en la matriz pueda salir libremente. Cuando sea necesario obtener un efecto de mayor eficacia, se puede unir a la pieza un cargador proporcionado al tamaño de la misma, que permita incluso descargar una parte del material junto con el aire. Para evitar un recalentamiento excesivo de la matriz durante el trabajo es necesario disponer, sobre todo en las zonas inmediatas al bebedero, un sistema adecuado de enfriamiento por circulación de agua.

Generahnente es aconsejable construir las matrices para fimdir una sola pieza cada vez, para simplificar la construcción y disminuir al mínimo, durante la producción, el peligro de interrupciones por agarrotamiento o por roturas que pueden ocurrir en el curso de la fimdición; de todos modos, cuando se disponga de máquinas muy potentes y el número de la serie de piezas a fabricar sea muy grande, puede convenir, para piezas relativamente poco complicadas, emplear matrices con varias piezas.

TI"O<¡1ICI fijo Troqud móYiI

Veamos a continuación las cuestiones a tener presentes en la construcción de las matrices.

a) El semimolde móvil debe llevarse siempre en su movimiento a la pieza recién colada. A ello contribuye el macho distribuidor.

b) Las dimensiones de la placa molde deben permitir disponer una franja alrededor del hueco del molde de por lo menos 40 mm, en las máquinas pequeñas de presión escasa, y de 70 u 80 mm de ancho, en las grandes, sin que esté interrumpida por tornillos o elementos similares. La regla empírica es que hay que dejar libre como superficie de estanqueidad 1/10 de la anchura o de la longitud de la placa molde, rodeando al hueco.

c) Partición: La determinación de la partición requiere una reflexión cuidadosa. Aquellas partes que precisen de una mejor calidad superficial deben fimdirse en el semimolde fijo, al igual que la parte mayor del hueco del molde (mayor en superficie); para que sea la placa fija la que



reciba la máxima presión, y no la móvil. Debe buscarse que la partición sea plana; y evitar partes profundas en el sentido del movimiento de apertura.

d) Placas molde: Son de acero bonificado (mejorado) refractario en su totalidad, o bien de acero corriente recocido, con suplementos encastrados de acero bonificado refractario.

e) Canales de colada: El bebedero, el canal y la sección de ataque deben pennitir una circulación regular y tranquila del metal y fucilitar el llenado perfecto del molde.

En general el bebedero está incorporado a la placa molde fija, y para que se consiga una uniforme circulación, se sitúa en el centro de la entrada de caldo un macho repartidor, que facilita el tránsito paulatino desde el bebedero al canal. Al mismo tiempo dicho macho obliga a que el bebedero tenga que salir junto a él en la apertura del molde, con lo que facilita la evacuación de la pieza y canales (fig. 5.5).

Los canales pueden tener una sección variable de entre 12 a 20 mm de ancho y 3 a 6 mm de profundidad.

Los conductos anchos se emplean en piezas de paredes gruesas y los estrechos, pero de mayor profundidad, para piezas con paredes delgadas. Se les da una inclinación de 2 a 5 o para que puedan ser bien expulsados (forma de artesa) y su calidad superficial no debe ser peor que la propia del hueco que fonna la pieza.

La sección de ataque, parte final del ca.naL debe ser de menor sección para provocar un aumento de velocidad justamente a la entrada de la pieza.

Para tenninar con el diseño de canales de colada, diremos que en la máquina horizontal de cámara fría, el residuo de la inyección queda en la cámara y es expulsado unido al canal de colada. Es como si la cámara (cilindro) fonnara parte de la placa molde, y así es de hecho. Pero hay un constructor que hace que el émbolo no penetre en el molde sino que proporciona una forma de tobera y el proceso sucede como fácilmente esquematiza la figura 5.9.

f) Salida de aire: El aire debe ser expulsado en el mínimo tiempo. La salida se efectúa a través de ranuras practicadas en las caras de contacto de los semimoldes, en zonas de ftnal de llenado en las que, un buen diseño de canales, garantice acumulaciones de aire.

B Fig. 5.9

En donde haya cambios de espesor del hueco habrá que situar ranuras de evacuación.



Por otro lado, los vástagos extractores con un juego mínimo de 0.02 mm ya sirven para la evacuación.

También el juego de las guías para machos sirve de canal de evacuación, cuando dichos machos son móviles.

g) Los machos: Pueden ser fijos y móviles. Los fijos están en la dirección del movimiento expulsor y quedan amarrados a la semiplaca móvil. Salen sólo en la expulsión. Los otros deben ser movidos para su expulsión de forma autónoma y en el momento que convenga, ya sea antes de empezar la apertura del molde o después de abrir el molde.

En las figuras siguientes se ven distintos machos fijos con su sistema de amarre a la placa móvil.

En la figura 5.11 se estudian soluciones mejoradas de machos fijos a base de apoyarlos en el extremo libre para que no flecten con la presión del caldo, y dando al propio tiempo una salida al aire durante la inyección.

Fig. 5.11

Noyo fijo que sirve para formar

huecos, cuyo eje se ha en la dirección de la abertura

Sujeción de ...".,. lIjos en la placa molde

Noyo lijo con seoción irrqular

'1

A veces son necesarios machos en forma de piezas sueltas que se desmontan tras extraer una pieza clave en el conjunto de las mismas (fig. 5.l3).



Fig. 5.13

Fíg. 5.12

En la figura 5.12 se ve la perspectiva de un semimolde en el que van montadas las piezas portamachos guiadas en la placa para el oportuno movimiento. Puede verse así mismo la pieza que trata de colarse por cuatro agujeros en cruz y el F, de menor diámetro. Obsérvese que los taladros pequeños e también salen en la inyección.

h) Extractores: Para expulsar las piezas de la semiplaca móvil pueden ser utilizados:

- Vástagos o topes expulsores, que hay que prever en puntos adecuados de la pieza en cuestión.

- Casquillos expulsores, que generalmente envuelven a los machos cuando las paredes de la pieza, en esta zona, son delgadas.

- Peines expulsores, que tienen la forma de parte o del total contorno de la pieza, cuando su extracción resulta muy delicada y se corre el riesgo de alabeo e incluso rotura en la expulsión.

La figura siguiente muestra posiciones correctas e incorrectas de localización de extractores. Hay que afiadir que si el esfuerzo es grande, la pieza suele quedar marcada con la huella del extractor.




:-...• , I'.! • •

5.11

TEMA 6

ALEACIONES PARA MOLDEO. MECANISMOS DE SOLIDIFICACIÓN

Hierro colado.

El hiero colado es la aleación más profusamente empleada en la fabricación de piezas fundidas. Es una aleación de hierro y carbono, y difiere del acero por el contenido de C, que es superior al 1,75%; a ambos es usual la presencia de otros elementos, tales como el Si, el Mn, el P Y el S, cuyo contenido varía según los casos.

Análogamente a cuanto ocurre en el acero, además de los elementos arriba citados, y cuando se quiere obtener propiedades particulares, se añaden muchas veces a la aleación base otros metales como el Ni, el Mo, el Cr, el Cu, el V, el Ti, el Mg, etc.

Nos encontramos, pues, ante una aleación bastante compleja que no puede ser representada por los métodos gráficos normales.

Los constituyentes menores de la fundición, que en pequeño porcentaje respecto al constituyente principal que es el hierro (en el complejo representan un 5 a 7% de la aleación), tienen una decisiva influencia sobre las características y propiedades del metal.

a) Carbono:

El carbono es sin duda, después del hierro, el elemento más importante; se le puede encontrar combinado con el hierro (carbono combinado) en forma de carburo (cementita, Fe3C con 6,67% de C), o en estado libre (carbono libre o grafito).

El que se tenga en estado combinado o grafitico no se debe al azar. Son muchos los factores que pueden favorecer una forma o la otra, como la velocidad de enfriamiento y la presencia de otros elementos grafitizantes o estabilizantes.

Conforme a su aspecto en la:fractura, las fundiciones se pueden clasificar enfundiciones grises, fundiciones atruchadas (con puntos blancos sobre fondo gris, o viceversa) y fundiciones blancas; dependiendo de la mayor o menor cantidad de carbono libre o grafitico.

Una fundición común tiene de ordinario un grafito de grandes laminillas que interrumpen netamente la continuidad de la matriz metálica; afinando y reduciendo estas laminillas se pueden aumentar las características mecánicas.

6.1


b) Silicio:

El silicio es el elemento que tiene un efecto más favorable sobre la formación del carbono grafitieo. Normalmente acelera la disociación del carburo de hiero, esto es, de la eementita, durante la solidificación y el enfriamiento del metal fundido según la ecuación:

Por eso el silicio contenido en una fundición debe ser calculado teniendo en cuenta el carbono total, la velocidad de enfriamiento y el espesor de las piezas.

e) Manganeso:

Una acción contraria a la del silicio es la ejercida por el manganeso. Este elemento fuvorece la formación del carburo de hierro, y, a su vez, se combina fácilmente sea con el carbono, sea con el azufre. Dada su gran facilidad para formar sulfuros, su acción puede ser considerada en un primer aspecto benéfica, porque obstaculiza la acción inhtbidora a la grafitización ejercida por el azufre, mientras en un segundo tiempo, formando a su vez carburos, endurece la matriz misma de la fundición y disminuye el contenido de carbono libre.

d) Fósforo:

El fósforo queda en la fundición del tratamiento del alto horno, en forma de fosfuros de hierro. Esto confiere a la fundición líquida una particular fluidez porque disminuye el punto de solificación, pero al mismo tiempo amnenta la fragilidad y la dureza. Dada la tendencia actual de obtener fundiciones con excelentes cualidades mecánicas, el contenido de fósforo debe permanecer entre bajos límites y precisamente no superar el 0,2%. Mientras, hace algunos años, las fimdiciones fosforosas o semifosforosas eran las mayonnente utilizadas en los talleres, hoy su empleo está limitado a las piezas particularmente delicadas o en las cuales no requieren elevadas características mecánicas.

e) Azufre:

El azufre existe en las fundiciones en dos formas: como sulfuro de hierro o como sulfuro de manganeso. Esto es siempre perjudicial, porque obstaculiza la grafitización, hace la fundición dura y frágil y provoca graves defectos en las piezas por rechupes, sopladuras, roturas, etc.

Como hemos dicho, su acción es en parte contrarrestada por la presencia de manganeso, mas en todo caso su contenido debe ser el mínimo posible.

f) Componentes de las aleaciones: Análogamente a cuanto ocurre con los aceros, para mejorar las características técnicas de las fundiciones se recurre alguna vez al empleo de elementos de adición llamados componentes de aleación.

Los componentes de aleación actúan según los casos y su porcentaje, sobre la solidificación, sobre la grafitización y sobre la estructura metalográfica y por consiguiente


Aleaciones para moldeo. Mecanismos de solidificación :', •

confieren particulares propiedades de resistencia a la tracción y a la flexión, de dureza, de facilidad para trabajarla, de resistencia al desgaste, al calor y a la corrosión. Entre los principales componentes de aleación citaremos los siguientes: níquel, cromo, molibdeno, cerio y magnesio.

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4.0 4.5

Fip. 6.1

Fundiciones de gran resistencia.

La fundición se puede considerar como una matriz de acero y laminillas de grafito distribuidas en la misma. Hasta que se pudo profundizar en esta naturaleza de la fundición, a principios del siglo actual, mediante las investigaciones químicas (análisis de los componentes) y fisicas (observaciones al microscopio), no fue posible mejorar la calidad.

Las propiedades de la fundición dependen directamente de las propiedades de los dos componentes anterionnente citados, a saber, la matriz metálica y las laminillas de grafito en ella



diseminadas.

La matriz está constituida por hierro químicamente combinado con el carbono. Se tienen tres casos principales: matriz ferrí/ica, perlítica y de cernen/ita.

Se han estudiado muchas fórmulas para representar la proporción más ventajosa de carbono en la fundición. La más aceptada es la de tomar como base la relación entre la cantidad de carbono que debe existir para obtener una concentración eutéctica y la que efectivamente hay, teniendo en cuenta una corrección debida a la influencia del porcentaje de los otros elementos presentes. Esta relación toma el nombre de grado de saturación y se expresa por:

o ,.~ ... -~-

® ,--.---

[el] s=-------------

e 4,23 - 0,312[Si] - 0,33[P] + 0,66[Mn]

Por ejemplo, una fundición con el siguiente análisis:

[CJ = 3,25% [P] = 0,45%

tendrá un grado de saturación igual a:

[Si] = 1,78% [S] = 0,09010

[Mn] = 0,6%

s = 3,25 = 3,25 = ° 82 e 4,23 - 0,312·1,78 - 0,33·0,45 + 0,66·0,6 3,975 '

® F."..ion...,.,... ' ... ..,,.,..

F.,"'iC'ion 9r'~ I.r,i,ic'o

®

El diagrama de la figura 6.8 indica cuál es el valor del grado de saturación que se debe alcanzar para obtener la mayor resistencia mecánica. En el intervalo de un grado de saturación entre 0,75 y 0,95 la estructura de la base será casi totalmente perlítica. Pero no sólo el porcentaje de los elementos químicos influye en la formación de la perlita. Hay otras muchas causas que actúan sobre las estructuras de la matriz, como son: la naturaleza de las materias empleadas, la conducción de la fusión, la presencia de centros de cristalización, la velocidad de enfriamiento, etc.


Aleaciones para moldeo. Mecanismos de solidificación

Considerando en conjunto los factores que influyen principalmente en la fonnación de la estructura de la matriz, Maurer trazó el diagrama de la figura 6.3, punto de partida en la marcha del proceso de los talleres de fundición. De él se deduce que, para un detenninado espesor, si se quiere obtener una estructura concreta, se deben elegir contenidos de C y de Si bien especificados.

Para obtener las estructuras adecuadas a fundiciones de gran resistencia, dos son los caminos en los que es posible actuar:

l. - Modificando y mejorando la estructura de la base o matriz. 2.- Modificando en la fonna, en las dimensiones y en la cantidad el grafito libre.

Se pueden resumir los procedimientos para obtener fundiciones de gran resistencia en la siguiente tabla.

1) Actuando sobre la matriz 2) Actuando sobre el grafito

a) Con análisis químico apropiado.

b) Con análisis químico apropiado y aditivos catalíticos (inoculación).

c) Con componentes de aleación.

d) Regulando el enfriamiento.

e) Con tratamientos térmicos.

Diagramas de uso en las fundiciones.

a) Con análisis químico apropiado

b) Con recalentamientos de la fundición líquida.

c) Con elementos químicos que provocan la fonnación de grafito nodular.

d) Acelerando el proceso de enfriamiento.

e) Con tratamientos térmicos (maleabilización).

La figura 6.4 representa el diagrama de Griner y Klingenstein e indica la estructura probable (para un enfriamiento normal) de una fundición según el contenido de C + Si Y el espesor de la pieza; por ejemplo, una pieza con contenido e + Si = 5% Y de espesor 15 mm resultará de estructura perIítica.

La figura 6.5 representa la relación entre el contenido de e, el de C + Si Y el espesor de las piezas, para obtener fundiciones perIíticas, es decir, con un contenido en Ce = 0,8%; por ejemplo, si la pieza tiene un espesor de 20 mm deberá tener C + Si = 5%, Si = 2% y, por consiguiente, e '" 3%.

La figura 6.6 representa la relación entre el contenido de C + Si y la resistencia a la tracción R para fundiciones comunes; por ejemplo, para una fundición con C + Si = 5,5%, R será 18 a 23 kg/mm2

•

La figura 6.7 representa la influencia del espesor de la pieza sobre la resistencia a la tracción de las fundiciones, con contenido de e + Si creciente; por ejemplo, en una pieza con



espesor de 50 mm y C + Si = 3,25 + 2,25 = 5,5, serán Ce = 0,42% Y R = 22 kglmm2•

La figura 6.8 indica la relación entre el grado de saturación Se Y la resistencia a la tracción, siempre en una fundición común; por ejemplo, para Se = 0,9 será R = 24 a 32 kglmm2

•



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rrespondieata al aneto de satllfad6a (Se) ¡aul a 1.

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Fig. 6.4 Diapama de GrdDcr , Klin&Cl\-stcia. lIIIdica la estnetura • la flllldieióa. _&dn el _unido e + Si '1 el espesor de la pieza. En .. la estructura ea perlftica; en ... atnJd¡ada: ea e. blanca; en .. pediticoferrftica; cn e.

ferritica.

~ T

6.5

6

4 I , I · ~~~~~::::b~WC.Si .¡., 5.5

I

1 10 20 30 40 50 60 70 80 ~') 100 Eapuor ... \o piUG en 111ft

Fig. 6.5 Relación entre d contenido de C. el de C + Si y d espesor de las piez IS, para obtener fundiciones perliticu, es d«ir, con un

contenido de Ce = 0.8 %.

~ 1 l Sc

.ti 0,9

44 0,8 1 0,74 -i

38 0,7 'o

1 30 I 0,6 ; 0.84 !

}24 " O,~ • J 'O CE 0,4

0,93 j 16 ~ 0.3

0,2

10 0.1

CJ 1 ,ro %5 50 15 100 ..... &p.&or ... lo pie 10

Fig. 6.7 Inftuencia del espesor de la pieza sobre la rnislencia a la Ira.xi6n de las fundi

~iones con contenido de C + Si crrciente.

4.5

4 10 15 20 25 30 35

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Fig. 6.6 Relaci6e entre la 5uma e + Si y la r ... iortetK:ia a la tracci6n, paca fundiciones c;o.

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Hg. 6.8 Relación enlre el arado de salura· ción Se y la resisten.'Ía a la tracción.


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La Ilna llena se refiere a UD cubilote del di'metro de I.S m: la de trazos, a un cubilote

del diámetro de 0,1 m.

15 20 25 30 35

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Fig. 6.12 Relación entre la resistencia 11 111

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Fig. 6.14 Relaci6e entre la rcsistCftCia a la tra«ióa ., la resiseeacia a la 8uiÓG ca las fun

dic:ioacs Irises..



La figura 6.9 indica la absorción de carbono en el cubilote de 0,7 a 1,5 m de diámetro; por ejemplo, en un cubilote de diámetro 0,7 m, si el carbono introducido en total con las cargas es del 2,5%, la fundición absorberá el 0,5% de e, de modo que este elemento, en la fundición producida, alcanzará cerca del 3%; viéndose que el carbono total está siempre en el cubilote entre 3 y 3,5%.

La figura 6.10 representa la absorción de carbono en un cubilote de 0,7 m de diámetro; por ejemplo, si el carbono introducido en total con las cargas en un cubilote de diámetro 0,7 m es del 1,5%, la fundición absorberá el 1,25% de e, de modo que este elemento, en la fundición producida, alcanzará cerca de 2,75%.

La figura 6.11 indica la relación entre la resistencia a la tracción en una fundición gris y la dureza Brinell Hd; por ejemplo, una fundición con resistencia a la tracción R = 25 kglmm2

tendrá una dureza Brinell comprendida entre cerca de 200 y 250 Hd.

La figura 6.12 indica la relación entre la resistencia a la tracción en una fundición gris y la resistencia a la compresión; por ejemplo, una fundición con R = 27 kglmm2 tendrá una resistencia a la compresión en tomo a los 90 kglmm2

•

La figura 6.13 indica la relación entre la capacidad de amortiguación de las vibraciones, la resistencia a las cargas alternativas y la resistencia a la tracción; por ejemplo, una fundición con resistencia a la tracción R = 30 kglmm2 tendrá una resistencia a las cargas alternativas (de tracción y como presión) de 17 kglmm2 y un coeficiente de amortiguamiento de cerca del 10%.

La figura 6.14 indica la relación entre la resistencia a la tracción y la resistencia a la flexió~ siempre en las fundiciones grises; por ejemplo, una fundición gris con R = 25 kglmm2

tendrá una resistencia a la flexión de 50 kglmm2•

Aceros fundidos.

1) Aceros al carbono:

Están constituidos en su mayoría por aleaciones complejas, teniendo como constituyentes fundamentales, además del hierro y el carbono, también el silicio y el manganeso, y como impurezas el fósforo, el azufre, el cobre, etc.

Estos aceros forman la gran masa de los aceros empleados en la industria (casi el 80%) y, según el contenido de carbono, se subdividen a su vez en:

Aceros extradulces ................. % e s 0,15 n dulces .............................................. % e = 0,15 ~ 0,30 " semiduros ...................................... % e = 0,30 -:- 0,45 n duros .............................................. % e = 0,45 +- 0,65 " extraduros................................ % e = 0,65 ...;- 1,70

El carbono es el elemento del cual dependen en gran parte la estructura de la aleación y, según las posibilidades de tratamiento térmico, las características mecánicas del producto.

Los aceros al carbono más usados en fundición pertenecen a las tres primeras clases



citadasarriba sólo ocasionalmente se emplean para piezas aceros con carbono superior al 0,45%.

2) Aceros aleados:

Normalmente, por aceros aleados se entienden aquellas aleaciones complejas del hierro que tienen como constituyentes fundamentales, además de los elementos presentes en los aceros al carbono (e, Si, Mn), también otros como Ni, er, Mo, V, W, Zr, eu. Se consideran igualmente aleados los que tienen Si y Mn en porcentaje muy superior al normal de los aceros comunes o al carbono.

Hoy día no ha sido todavía bien definida una neta clasificación de los aceros aleados o especiales atendiendo a sus características fisicomecánicas, sobre todo dado el continuo desarro llo de la técnica de la producción y del empleo de tales aceros. De todos modos, para intentar una subdivisión en tan vastísimo campo de las aleaciones, atendiendo a los empleos más comunes en la industria, podemos distinguir, entre los aceros aleados, las siguientes clases:

a) Aceros especiales para la construcción: Son aceros con pequeños porcentajes de elementos especiales en aleación, suficientes para alcanzar características elevadas. Los principales elementos de aleación de tales aceros de construcción son el níquel, el cromo, el molilxleno yel vanadio.

b) Aceros inoxidables: Bajo esta denominación genérica se agrupan todas las aleaciones férreas caracterizadas por una elevada resistencia a la oxidación y corrosión por obra de agentes externos. Tal familia de aceros está en continuo desarrollo y hoy se puede afirmar prácticamente que para cada condición de ejercicio ha sido encontrado el acero apto para resistirla Los más importantes son los aceros al cromo y al como-níquel.

c) Aceros resistentes al calor: Son empleados para piezas sometidas a corrosiones a alta temperatura y por eso muy usados en el campo de los motores térmicos y en las instalaciones químicas, como las columnas de síntesis, válvulas para elevadas presiones de vapor, hornos torres de cracking, en la industria petrolífera, etc. En principio, también los aceros inoxidables propiamente dichos deben ser considerados como aceros resistentes al calor. Pero normalmente son muy usados los aceros de medio contenido en cromo, o molilxleno, o silicio, o ambos.

d) Aceros resistentes al desgaste: Se caracterizan por una elevada dureza y tenacidad. Se emplea mucho el acero al12 -i- 14% de manganeso. Los límites entre los cuales varían los análisis de tales aceros son: e = 0,9 -i- 1,5%, Mn = 10 -i- 14% y Si = 0,4 -i- 0,6%. A menudo se añade también un 2 -i- 3% de níquel. Tales aceros son austeníticos y de dificil trabajo. Las piezas brutas de fusión contienen normalmente carburos y son poco tenaces; adquieren particular resistencia y tenacidad después del tratamiento del temple de 1000 a l100 oe. A tal temperatura es necesario el recalentamiento para estabilizar los carburos.

e) Aceros para imanes permanentes: En muchas construcciones la técnica actual requiere materiales fuerte y permanentemente magnéticos; son de común empleo en magnetos, motores, contadores, reguladores, chapas magnéticas para máquinas herramientas, altavoces. micrófonos, etc.



Las propiedades magnéticas de un acero son relacionadas en general con la dureza, por cuanto las aleaciones que mayormente presentan la característica de magnetizarse pennanentemente, sometidas al oportuno campo magnetizante, son normahnente muy duras. Tales aleaciones pueden ser utilizadas como planchas o como piezas fundidas. Ya los aceros al 0,9 -:- 1,2% de carbono son imanes permanentes discretos, pero mejor resultado se tiene con aceros al cromo, y mejores aún con aceros al cromo-cobalto-tungsteno. Los más elevados valores de la fuerza coercitiva en tales aceros se obtienen después de un temple de elevada temperatura.

f) Aceros para herramientas: Los aceros al carbono comunes no soportan grandes velocidades de corte por cuanto, recalentándose durante el trabajo en la máquina herramienta, pierden el temple. Los aceros especiales para herramientas, llamados comúnmente aceros rápidos, pernriten, al contrario, gran velocidad de corte, por cuanto no pierden el temple en caliente. Elementos bases de tales aceros son el wolframio o tungsteno, el cromo y, eventualmente, el vanadio.

Aceros semirrápidos " rápidos " extrarrápidos

~ ~ -.:L-º-12 -=- 14 2 -:- 3 0,3

18 3 -=- 6 0,1 0,7 18-=-19 4-=-7 0-=-1,8 0,7

El tungsteno forma con el hierro y el cromo un carburo doble. El temple (en aire o en aceite) se hace a temperaturas que varían de los 1050 a los 1200°C. Son aceros autotemplantes.

Contracciones volumétricas.

Cuando los metales o sus aleaciones se solidifican y enfrían, sufren siempre una contracción de volumen (con la excepción del bismuto y el antimonio). Algunas fundiciones grises, sin embargo, pueden solidificar sin contracción e incluso con aumento de volumen como consecuencia de la presencia del grafito, que produce un efecto de hinchamiento durante la solidificación. La contracción se produce en tres etapas diferentes: contracción líquida, al enfriarse desde la temperatura de colada a la de solidificación; contracción de solidificación; y contracción sólida, al enfriarse la pieza ya sólida hasta la temperatura ambiente.

La siguiente figura representa las contracciones que aproximadamente ocurren cuando una masa de acero fundido de 0,15% de carbono se enfría y solidifica.

Solidificación de los metales puros y eutécticos.

Los metales puros solidifican a temperatura constante y forman cristales de una sola tase. La recristalización se inicia en la zona periférica, en contacto con la pared fría del molde, donde el subenfriamiento es grande y la velocidad de nucleación también; esto produce una delgada capa



de grano muy fino. A continuación los cristales se desarrollan preferentemente en dirección perpendicular a las paredes del molde, dando origen a una zona basáltica o de cristales columnares (fig. 6.20 a). El fenómeno se debe a que el calor liberado en la solidificación se transmite por conducción a través de la pared del molde (y de la capa de metal solidificado) y crea un elevado gradiente de temperatura, que hace que la solidificación se propague en forma de frente continuo en función del tiempo. El espesor de la capa solidificada nos lo da la expresión

x = k {t , donde x es el espesor, t es el tiempo, y k una constante que depende de la naturaleza del molde y del sobrecalentamiento del metal fundido.

Las aleaciones de composición eutéctica solidifican a temperatura constante y forman cristales muy finos de dos o más fases (fig. 6.20 b). La cristalización se inicia en la zona periférica y progresa en forma de frente continuo, como en los metales puros, pero con más rapidez, ya que hay que disipar menos calor al exterior (como consecuencia de la energía que se requiere para formar los numerosos bordes de grano).

La figura 6.16 presenta la solidificación progresiva de un lingote de acero de bajo carbono. El esquema muestra que, según se van formando capas sólidas, el nivel de líquido baja

Fig. 6.18

6.12

Fig. 6.20

Niveles sucesivos del IlIlWUU.,,..,, f~

~echUpadO

Fig. 6.16

central

echupodo !lttondllrio

Fig. 6.17

El proceso es continuo, y el resultado final se muestra en el esquema 6.17. Queda una oquedad en forma de tubo que, en algunos lingotes de paredes delgadas y colados sin mazarotas, suele llegar hasta las proximidades del fondo. Es lo que se llama rechupe.

Si colamos en un molde de paredes



planas y con las mismas a la temperatura ambiente, el calor se evacuará por las paredes, y se depositará una capa sólida de metal. Según continúe la evacuación, el espesor de la capa irá creciendo y una distribución de temperatura puede quedar representada por el esquema de la figura.

El régimen con que se mueve la frontera sólido-líquido es función del calor evacuado en cada instante.

En la figura anterior se ve como, al penetrar la gráfica de temperaturas en el molde, la misma cae bruscamente. Ello se debe a que la arena tiene una conductibilidad calorífica muy débil, en consecuencia, el calor cedido por el metal penetra en la arena con mucha lentitud. Las partes en contacto con el metal alcanzan rápidamente la temperatura del mismo, mientras que a pocos centímetros el molde apenas se calienta. De hecho, no es la arena la que sirve de vehículo, sino los gases que se forman como consecuencia del contacto de moldes y machos con el metal.

Si se cuela en moldes de las mismas características, piezas geométricamente semejantes, el tiempo para la completa solidificación será proporcional al cuadrado de sus dimensiones lineales. Por ejemplo, un cubo de acero de 50 mm de lado solidifica en una cuarta parte del tiempo requerido para un cubo de acero de 100 mm de lado, en iguales condiciones totales.

Para comparar y extender esta ley a piezas de forma diferente se ha generalizado la misma en la conocida regla de Chvorinov, aplicada con mucha aproximación:

Tiempo de solidificación = Constante' (Volumen / Área)2

o lo que es lo mismo: T = K'M2 (donde M:: módulo de enfriamiento).

En realidad, el régimen de formación de la piel sólida está afectado por la forma de la pieza, y la solidificación es más rápida en los ángulos externos de la pieza porque el calor se disipa más fácilmente en estos puntos. Inversamente, en los ángulos internos la solidificación es más lenta (puntos calientes).

Fig. 6:19

Solidificación de las aleaciones.



En las aleaciones no eutécticas, atmque éstas sean con porcentajes débiles de los componentes, el mecanismo de la solidificación es distinto que el de un metal puro o el de un eutéctico.

En efecto, en un acero con 0,05 a 0,10% de e (débil aleación) se forma primero una

a... Zc:ra ~ 1-'1IW1I:II ~sI~\ '* 1Ír¡uidUs

Fig.6.21

costra sólida, adosada a las paredes del molde, tras haber segregado una buena parte del carbono disuelto que quedaba en el líquido inmediato (fig. 6.21 c). Este aumento de carbono baja el punto de fusión de la mezcla restante, por lo que la solidificación progresa en aquellas partes de la mezcla que, siendo vecinas de la costra, tienen mayor punto de fusión, es decir, aquellas que son menos ricas en carbono. Pero como la mezcla es homogénea de hierro y carbono, la solidificación ocurre en forma arborescente o dendrítica en aquellas partes más ricas en hierro, quedando las más ricas en carbono en estado líquido y bañando las arborescencias o dendritas.

En definitiva, tras la primera costra sólida de pequefio espesor y adosada a las paredes del molde, se forma una zona pastosa constituida por dendritas sólidas y líquido entremezclado. Esta capa pastosa solidifica a su vez y hace nacer una segunda capa, y así sucesivamente. Es decir, de cada sólida nace un frente de dendritas que hacen progresar la solidificación.

En la figura siguiente se traza el cuadro térmico de las dendritas que penetran en el líquido. Queda representado un acero de 0,05% i de carbono mediante el diagrama de fases y la I línea de solidificación AA'.

De la misma manera que un intervalo de solidificación pequeño origina una zona pastosa estrecha, los gradientes de temperatura elevados

L

o de gran pendiente también provocan zonas dendríticas o pastosas estrechas, e incluso una solidificación rápida puede anular toda dendrita.


lit)

Aleaciones para moldeo. Mecanismos de solidificación ;t 0/. en A C

Metal o Aleación Volumen Contracción Contracción mm-m mm'm

Aceros no aleados 7 16 22

Aceros muy aleados 10 20 25

Fundición blanca 6-;.-7 16 20

Fundición gris (Ceq=2,5-;.-2,7) 5 11 14

Fundición gris (Ceq =3-;.-3,25) 4 9 12

Fundición gris (Ceq=3,4-;.-4) 2 -;.- 0,5 5 8

Níquel 6 20 16

Bronces 4,5 13 15

Latones 6,5 15 18

Bronce al aluminio 5,5 14 20

Cuproníquel 80/20 5,5 18 23

Cobre 5 16 20

Aluminio 7 17 19

Aleaciones ligeras 4-;.-5 10 12

Zinc 4 II 16

En el cuadro anterior se dan los valores de la contracción desde el estado líquido (con sobrecalentamiento de 150 o C) hasta el final de la solidificación para diversos metales y aleaciones, así COIOO las contracciones lineales de los mismos para piezas coladas en arena A y en coquilla C. Obsérvese en dicho cuadro COIOO el níque~ contrariamente a los demás, presenta una contracción menor cuando se cuela en coquilla.

Cristales colul"TVlaf'e s

MotJe tnf!tálico frío

Cristales


Cristales €>quiaxíales

6.15


Mecanismos de la formación de rechupes.

a) Molde colado con metal puro o eutéctico:

Solidificando según hemos visto en lo que ha dado en denominarse solidificación en capa delgada. Es un frente de solidificación bien definido que progresa sin paso por el estado pastoso. A él pertenecen los metales puros, los eutécticos y las aleaciones con intervalo de solidificación menor de 40°C.

Estas aleaciones, por esta forma de solidificar, producen un rechupe franco, central, concentrado y macroscópico, que puede ser abierto, cerrado o presentar uno abierto y otro cerrado.

Ejemplos: Aceros de % e < 0,3 Latones 60-40 Aluminio puro Cobres % Cu > 98

La figura 6.16 da una idea de la formación del rechupe externo conforme progresa la solidificación en un molde colándose al descubierto.

La formación del rechupe interno se debe a que la superficie libre del líquido se enfría (aunque más lentamente que las paredes), llega a solidificar y empieza a formar una corteza que aumenta de espesor durante un cierto tiempo t. Este período t termina cuando, por las causas de las diversas contracciones, el volumen del líquido interno es insuficiente para llenar la cavidad y llegaa no mojar el techo. A partir de aquí, la concentración líquida continúa, así como el aumento del espesor en las paredes, creándose una cavidad que podemos considerar vacía y poderse despreciar la insignificante tensión de vapor debida a la aleación.

Si en lugar de considerar los períodos de tiempo consideramos los mismos infinitamente pequeños, como realmente ocurre, los espesores de las cargas son así mismo infinitamente delgados y, al final, la pieza fundida se presentará en esquema según la figura (d).

a b c d e

b) Molde colado con aleación con intervalo de solidificación:

Solidifican, según hemos visto, mediante una zona pastosa que se viene denominando, por contraposición, capa gruesa. Este término significa que una cierta solidificación parcial se



establece casi de modo unifonne en toda la masa del metal (por lo menos en una capa gruesa) apareciendo desde el principio un estado pastoso característico de la mezcla de sólido y líquido. No puede hablarse propiamente de un frente de solidificación, ya que el avance de éste se produce en puntos muy distintos de la masa. En fase avanzada, unos cristales tocarán con otros y entre ellos quedarán unos canales líquidos

a b

que solidificarán en último término (crecimiento dendrítico). Al hacerlo microrrechupe repartido en general en las juntas de los granos solidificados.

e

producirán un

A este grupo pertenecen las aleaciones que solidifican en un intervalo grande de temperaturas (mayor de 70°C).

Ejemplos: Aluminio de pureza 99% Aleaciones ligeras Aleaciones de magnesio Bronces Fundición nodular

c) Aleaciones con características de solidificación intermedias:

Existe un tercer grupo de aleaciones cuya solidificación participa de características de las de capa delgada y capa gruesa. Hay frente de solidificación y estado pastoso, aunque ambos menos definidos, como era de esperar.

Ejemplos: Cupronfqueles Latones 70-30 Acero de % de e > 0.4 Fundición blanca


TEMA 7

DISEÑO DE LOS CONDUCTOS DE COLADA

Los sistemas de colada.

Se denominan sistemas de colada al conjunto de canales que conducen la aleación líquida hasta la cavidad del molde para el llenado del mismo.

Como primera medida, antes de decidir un sistema de colar o llenar la pieza, conviene determinar la posición del modelo en el molde, para lo cual se sopesan las ventajas e inconvenientes de moldear y colar en cada posición posible. En muchos casos la posición del modelo para moldear viene impuesta prácticamente por la forma de la pieza fundida, si bien cabe en ocasiones optar entre diversas posiciones de colada posibles. Aún cuando para la mayoría de las piezas se pueden dar entradas de caldo por un lado o por debajo y efectuar el llenado en sentido ascendente, asimismo habrá que tener siempre en cuenta la posibilidad de que el llenado se efectúe de forma directa por arriba, por necesitarse entonces menor cantidad de material para el sistema de colada y favorecerse además la alimentación.

Prácticamente todos los sistemas de colada pueden reducirse a cuatro formas principales:

a) co lada directa o por lluvia. b) colada por la línea de partición del molde. c) colada por el fondo o sifón. d) colada escalonada o por etapas.

a) Colada directa

Se limita usualmente a moldes relativamente pequeños, de diseño sencillo, o a moldes grandes hechos de material resistente a la erosión. La turbulencia del metal, al caer en la cavidad, tiende a erosionar las paredes y el fondo, así como a ocasionar atrapamiento de aire y de óxidos del metal en la pieza fundida. En la colada de hierro y acero, la erosión es el problema más dificil, derivado de la gran turbulencia producida por la colada directa. En los metales ligeros, oxidables, tales como el aluminio y el magnesio, la escoria y el atrapamiento del aire son los problemas más dificiles, resultantes del vertido turbulento. La colada directa de estos metales no es recomendable.

7.1

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-: : ' ~.

ContOnnado por moldeo

A menudo se usanfiltros para la colada directa. La sección de los agujeros controla el régimen de flujo y la escoria o las inclusiones tienden a separarse del metal en la cubeta de vertido que queda sobre los agujeros del filtro. Sin embargo, aún con filtros, el metal tiende a entrar en el molde de una manera fuertemente turbulenta.

b) Colada por la superficie de partición de los moldes

Es el sistema más sencillo después del antes descrito. A no ser que esta línea de partición se encuentre en el fondo de la pieza, siempre ocurre alguna turbulencia al entrar rápidamente el metal en la cavidad del molde. Desde el punto de vista del flujo del líquido, este tipo de colada es una solución intermedia entre la colada directa y la colada por el fondo; a menudo se elige más como una solución fácil de moldeo que por su valor intrínseco.

La turbulencia del metal a la entrada se puede reducir a un mfuimo proyectando el sistema de colada de forma que el metal entre a muy baja velocidad y escurra a lo largo de las paredes del molde, en lugar de llegar a borbotones y chocar contra las paredes del molde o del macho. Se obtiene la velocidad de entrada baja proyectando el sistema de colada de manera que la sección transversal de la entrada o entradas sea menor que las del cuello. Tal sistema se denomina de bebedero ahogado o sin presión.

Las colada en la línea de partición tienen la ventaja de que a menudo es más sencilla la entrada directa a los cargadores. Haciéndolo así, el último (y más caliente) metal en entrar va directamente al cargador, promoviendo así una solidificación direccional. Los costos de limpieza son mínimos haciendo la colada en el cargador, puesto que la alimentación no es una parte separada de la pieza.

e) Colada por el fondo, fuente o sifón

Las coladas por el fondo reducen a un mínimo la turbulencia y la erosión en la cavidad del molde. La región más baja de un molde colado por el fondo se calienta con el metal que fluye por él, retardándose la solidificación en estos lugares. Debe tenerse especial cuidado en asegurar que el foco caliente en la entrada sea mínimo, o de lo contrario resultaría un rechupe.


Diseño de los conductos de colada

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Bebedero

Canal Ataque vertical

Fig. 7.5

Su principal inconveniente es que el metal se va enfriando al subir, y puede no llenar por completo el molde. Este inconveniente se puede subsanar colocando mazarotas laterales, que se alimentan directamente del metal caliente (fig. 7.5). Esta solución es muy empleada, pues el foco caliente tiene lugar en la mazarota, lo que es una ventaja.

d) Colada escalonada por etapas o con sifones superpuestos

Corrige las malas características de la colada por el fondo y conserva sus ventajas. El metal comienza a penetrar por el fondo y cuando alcanza una cierta altura lo hace por la siguiente boca, y así sucesivamente. De esta fonna se consigue que el metal caliente se vaya situando siempre en la parte superior del molde y no haya dificultades para que se llene por completo.

Realmente, las co ladas por etapas no funcionan de esta manera ideal; la inercia del metal, al caer por el bebedero, lo obliga a pasar frente a las entradas más altas y casi todo el metal fluye por el canal del fondo. Inclinando los ataques hacia arriba, de manera que formen un determinado ángulo con la pieza, y diseñando las coladas para que tengan una resistencia relativamente creciente al flujo en los niveles bajos, puede hacerse que las co ladas funcionen con propiedad. Desgraciadamente no se dispone de fónnulas que ayuden a diseñar este tipo de coladas; cada una de ellas debe seleccionarse por experiencia, sentido común y observando otros casos prácticos ejecutados con un determinado metal.

El tamaño, tipo y proyecto de estas coladas es función del tamaño de la pieza y de la temperatura del metal.

Elementos que constituyen un sistema de colada.

Un sistema de co lada se compone, en general, de los siguientes elementos: cono o embudo de colada, bebedero, canal de colada y ataques o entradas.


:., .. Confunnado por moldeo

COIlO de colada Pieza

Bebedero Base del bebedero

Fig.7.6 Fig. 7.7

Según sea el tipo de pieza, el metal a colar y las exigencias de calidad, el embudo de colada puede ser el propio cono dibujado en la figura 7.6, o bien una bañera o bacina que puede llevar tabiques y otros elementos que retengan la escoria, calmen la entrada del caldo en el bebedero o den lugar a una circulación del caldo, en dicho hacino, que obligue a la escoria a separarse por fuerza centrífuga (fig. 7.7).

Si es de temer la entrada de escoria o de arena del embudo en la pieza colada, se intercala unfiltro entre dicho embudo y el bebedero. Estos filtros pueden ser de arena de machos estufada o bien de material cerámico adquirido en el mercado.

El bebedero es el conducto, generalmente vertical, que lleva el metal liquido desde la cuchara o desde la cazuela o cono de colada hasta el canal de colada.

Debe cumplir las siguientes condiciones:

- Dar lugar a un llenado correcto del molde. - Facilitar el que la colada se haga a bebedero lleno. - Evitar erosiones y choques.

El canal de colada (pueden haber varios) tiene por misión llevar el caldo desde el pie del bebedero hasta los ataque de colada, que son quienes propiamente introducen el metal en el molde.

El canal de colada es generalmente horizontal y debe cumplir las funciones siguientes:

- Resistir la erosión de la corriente liquida. - Alimentar uniformemente los ataques de colada.

Los ataques de colada introducen el metal en el molde y deben:


Diseño de los conductos de colada :<, •

- Asegurar un llenado regular y completo del molde. - Evitar erosiones o desplazamientos de machos. - Presentar fucilidad para ser eliminados posterionnente.

En piezas masivas bastan pocos ataques y el canal de colada puede ser corto. Por el contrario, en piezas con espesores débiles hay que disponer numerosos ataques, lo que obliga a un canal o varios de gran longitud y sección.

Cálculo del sistema de colada.

El primer problema que se presenta, una vez realizado el proyecto y el dibujo definitivo de la pieza, es concebir la forma (no las dimensiones) del sistema de alimentación, es decir:

- La posición del bebedero ( o bebederos) respecto a la pieza. - Número y posición de los canales. - Número y situación de los ataques.

Estos factores deben ser decididos por consideraciones de tipo metalúrgico, de solidificación correcta de la pieza, de evitación de la erosión de los machos situados en la cavidad del molde, etc . Igualmente, consideraciones de la misma índole nos permitirán apreciar cuál es el mejor modo de realizar la colada: en caída directa, en talón, en sifón, en lluvia, en sifón con ataques superpuestos, etc. Algunas piezas deberán ser atacadas en sifón por las partes más delgadas, mientras otras deberán colarse en caída directa.

En general, la disposición respecto a la pieza del sistema de co lada no presenta grandes dificultades, y la práctica normal y la experiencia de jefe de fundición deciden con acierto en la mayoría de los casos.

Una vez fijada la disposición general del sistema de alimentación, es necesario dimensionar las diferentes partes de que consta.

La primera etapa, o enfriamiento hasta el comienzo de la solidificación, nos servirá de base en el disefio de los conductos de llenado, para que en la pieza quede garantizado

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Z 11

Fig. 7.8



precisamente dicho llenado en todas sus partes. El concepto es muy simple: el caldo debe ocupar la cavidad antes de que en cualquier punto haya comenzado la solidificación. Así, el tiempo máximo de que disponemos para el llenado es el que transcurre en bajar la temperatura desde la de colada hasta la dellíquidus. Cualquier tiempo mayor podrá servir para detenninadas piezas, pero en general no garantiza el llenado completo, si alguna parte que ha solidificado puede ser impedimento para el paso del metal líquido.

Este tiempo, que tan simpletrente se define, es muy dificil de determinar, a pesar de haber tenido durante muchos aftos a nuestro alcance el modelo matemático que lo contiene. Sobre dicho tiempo influyen numerosos factores, y se ha discutido mucho sobre cuál es el más importante. En la práctica más corriente, el tiempo de colada se determina, en todo caso, partiendo casi siempre del peso de la pieza. Investigaciones realizadas por E. W. Dietert· en los años treinta en Estados Unidos, le llevaron a encontrar que, en muchísimas piezas fundidas, la relación entre el tiempo de colada t y el peso de la pieza P era de tipo:

t = k{P representando el valor k todas la variables restantes: forma de la pieza, volumen, paredes gruesas o delgadas, etc. (gráfico 7.8).

Esta fórmula empírica, basada en observaciones prácticas, es un primer paso, y, juiciosamente aplicada, ha dado buenos resultados. No obstante, incluso en la época en que se dedujo, se comprendía que el peso de la pieza por sí solo no podía detenninar el tiempo de colada. En erecto, es inmediato comprender que dos piezas del mismo peso, en la que una tiene paredes gruesas y la otra paredes delgadas, deben dar forzosamente tiempos de solidificación deferentes. La pieza más compacta se enfriará más lentamente que la de paredes más delgadas. Y la última deberá colarse con mayor rapidez que la primera, si queremos garantizar su llenado.

Unos investigadores, por un camino, y otros, por otro diferente, llegaron a deducir una fórmula matemática que ha llegado a convertirse en uno de los conceptos básicos más importantes de la técnica de la alimentación. Dicha fórmula expresa que el tiempo de enfriamiento es proporcional al cuadrado del volumen de la pieza e inversamente proporcional al cuadrado de la superficie que encierra ese volumen, o, lo que es lo mismo, que la superficie transmisora de calor.

Por un lado, el factor k engloba las características técnicas y densidad del molde y del metal líquido, el sobrecalentamiento, el modo de realizar la colada, etc; y, por otro, el cociente

describe la forma de la pieza.

v S

N. J. Chvorinoffratificaba en 1940 la bondad de dicha fórmula, partiendo de la clásica ecuación de Fourier sobre la teoría de la transmisión del calor:


Disefio de los conductos de colada

Ahora nos parece natural el haber acudido a la ecuación que F ourier dedujera más de cien años antes (1822). En efecto, la ecuación de transmisión del calor relaciona la variación de la temperatura O con el tiempo t en un punto (x, y, z), con el gradiente de temperatura en ese punto (paréntesis del segundo miembro) y con las propiedades del cuerpo en que se realiza la transmisión del calor (factor que multiplica al paréntesis).

Chvorinoff transformó e integró la anterior ecuación, suponiendo que la temperatura en la superficie molde-metal, mientras éste pennanece líquido, se mantiene constante e igual a la temperatura dellíquidus (hipótesis que se confinna con la experiencia suficientemente) y llegó a la expresión que ya conocemos de

designando al cociente v S

por el nombre de módulo de solidificación. Este es el modelo matemático, pero la determinación de k. en que intervienen los diversos factores enunciados, es muy problemática, por la dificultad de control de esos mismos factores.

Ch. Trencklé, tras la acumulación de numerosísimas experiencias de taller y ensayos de laboratorio, llegó a la confección de una serie de ábacos, que proporcionan directamente el tiempo t en función de las dimensiones de la pieza, longitud de recorrido del metal, tipo y temperatura del metal colado y tipo de molde empleado. Es decir, que ante la dificuhad de obtener k, ha sido preferible la determinación práctica del tiempo de llenado t.

1. Czikel dedujo otra fórmula, apoyándose en las características térmicas y en la forma de colada, por la que obtenía el máximo tiempo de colada:

en donde

t = M e

V M=-S'

es el módulo de solidificación o enfriamiento de la pieza (en cm) ye, con valores de 0,015 a 0,035, es el coeficiente que da la velocidad de avance del frente de solidificación (en cm/s).

Sea por un procedimiento, sea por otro, este tiempo para el comienzo de la solidificación debe ser contrastado con una segunda condición, que puede, en muchos casos, rebajar el tiempo de llenado de los moldes. Un molde debe ser llenado en un tiempo tal que la radiación térmica no


;<t ConfOrmado por moldeo

produzca defectos superficiales de dilatación en sus paredes, que luego se traduzcan en defectos para la pieza que se pretende obtener (fig. 7.9 Y 7.10).

1,21 f

~~ al'. 1) ,

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CI 0.75 :2 i'L &~ 0.$0 ::S:ll

O.2S

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V Arena 20. 100 lODO

Fig.7.9 Fig.7.10

Ensayos experimentales han pennitido fijar los límites máximos para dichos tiempos, con lo que se garantizan la no aparición de defectos superficiales en las piezas, debidos fundamentalmente a la expansión de la arena de moldeo. También Trencklé ha obtenido valores, que tabulados en función del material del molde, dan la temperatura de colada y de la forma de colar.

Una vez se tiene fijado el tiempo de llenado y decidida la forma de colar, es decir, la posición del bebedero respecto a la pieza, el número y posición de los canales y el número y situación de los ataques (en general no representa mayores dificultades y la práctica normal y la experiencia deciden con acierto en la mayoría de los casos), habida cuenta de consideraciones de tipo metalúrgico, de solidificación correcta de la pieza (solidificación direccional), de evitación de erosión de los machos, etc., se entra de lleno en el dimensionado de las diferentes partes de los conductos de llenado.

El cálculo correcto de las distintas dimensiones de los conductos lo rige la ecuación del flujo de Bemouilli

P := a ~2gH n SA P 110-3

que nos da el peso P de metal líquido, de densidad p, que durante un tiempo 1, con velocidad

a J2gH, pasa por una sección de valor n SA, o bien por n ataques de sección SA cada uno.

A través de la misma es posible calcular la sección SA de los ataques, ya que los valores de P, p y 1 son conocidos, n se ha fijado en la decisión tomada sobre la forma de colar y H la determina la forma de colar y la altura del embudo de colada junto con los desniveles de los puntos más bajos y más altos de la cavidad del molde. Sólo queda por calcular el valor de a (factor de velocidad).


Disefto de los conductos de colada

La determinación de a, coeficiente de pérdida de carga que se produce en el metal líquido al atravesar el dispositivo de alimentación (bebedero, canales y ataques), ha dado lugar a múltiples ensayos por parte de los investigadores. Varios encontraron que el derrame de los metales y aleaciones sobrecalentados normalmente tiene una gran semejanza con el derrame del agua a 20°C. Así, independientemente de las experiencias con modelos reales, han podido realizarse, con modelos transparentes y agua, experiencias en las que han podido medirse las condiciones de derrame, traduciéndolas al caso de los .. "ut~-_-~c;................"

! metales con buenos resultados.

La conjunción de estas experiencias y las consideraciones teóricas de la Fluidodinárnica, han permitido conocer con suficiente aproximación el valor de a en los casos de más aplicación del diseñ.o de conductos de alimentación. Estos valores han sido dados en ábacos y gráficos en función de diferentes factores, como: forma de colada, número y posición de los ataques, temperatura de colada, longitud y diámetro de bebederos, etc. (fig. 7.14).

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Factor de velocidad en funcl6n de l. lemperatw. y el modo de colada de la fundlclóI\_

Fig 7.14

Una vez calculada la sección nSA de los ataques, sólo queda dimensionar la sección del canal Se y, finalmente, la del bebedero S8. En el cálculo de ambas se toma como base el decidir si conviene alimentar la pieza a presión (Se> nSA) o conviene hacerlo sin presión (Se < nS4). Se trata de buscar un escalonamiento entre SB> Se Y nSA-

La decisión queda rodeada de las siguientes consideraciones: importancia o no de la absorción de aire, posible erosión de las paredes del conducto, turbulencias en el molde, que la aleación sea ferrosa o no, que se tema un mojado dificultoso en zonas alejadas, que la colabilidad de la aleación sea alta o baja, que el riesgo de oxidación por turbulencia sea teIll1ble, etc. Todas estas consideraciones han hecho del escalonamiento del sistema de colada uno de los capítulos más debatidos de la técnica del llenado de moldes.

Para obtener en todas las entradas que derivan del mismo canal, caudales lo más iguales posible, Trencklé utilizó el escalonamiento

en donde

k = fñ

siendo n el número de ataques y K no rebasando el valor de 2. Es decir, como máximo un escalonamiento 1 :2: l.

Este límite es proclamado por algunos autores como el más conveniente de utilizar para



todo tipo de piezas y aleaciones. No obstante, la tendencia actual parece dirigirse hacia sistemas con presión más moderada, comprendidos entre:

1:1,3:1 y 1:2:1 para aleaciones pesadas (férricas) y

1:3:1 para aleaciones ligeras (no férricas).

Con lo dicho hasta aquí, se tiene un visión de conjunto esquemática para poder decidir sobre la forma y dimensión de un sistema de llenado; queda ahora, para completar la alimentación, hacer otro esquema del sistema de mazarotado.

Consideraciones prácticas.

En la figura siguiente se diseñan tres tipos de conductos de entrada y formas de colar, que en definitiva orientan sobre la forma de fijar el parámetro H (altura hidrostática) a introducir en la ecuación de Bernouilli.

\ /

~

H

V

La figura 7.15 indica que el primer ataque a partir del pie del bebedero debe estar alejado de este pie al menos 1,5 D, siendo D el diámetro del bebedero.

La figura 7.16 indica que el canal debe sobrepasar 1,5 veces, por lo menos, la máxima dimensión del ataque.

La figura 7.17 contiene la forma más común de la sección de los canales de co lada Éstos, pudiendo ser rectangulares, se practican trapezoidales para mayor facilidad de desmoldeo.

u > l.5D . H

Fig. 7.15 Fig. 7.17

F,«- 7.16


Disefto de los conductos de colada

En la figura 7.18, se diseña un bebedero y un embudo de colada La dimensión D se obtiene a partir de d, planteando la ecuación de continuidad de caudal a lo largo del bebedero.

La figura 7.19 representa diversas fonnas de embudos postizos.

E

Bebedero

e d

Fig. 7.1& Fig. 7.19

La figura 7.20 es una cazuela o bañera de colada. Su altura He debe estar relacionada con la longitud del bebedero. Tal relación viene dada por el gráfico de la figura 7.21.

Fig. 7.20

He cm

60 10

-O 10 20 10

O

I

!

./

¡,...-~

-1--¡,....o ~

¡..... ~

O lO 100 200 aoo

Longitlld tkl bebedero Le en cm

Fig 7.21

-f-

Por último, la figura 7.22 es un diseño ovalado de embudo que evita turbulencias que, en definitiva, arrastrarían aire al molde; la 7.23 muestra un esquema con un solo canal.



Fig.7.22 ,

Fig. 72.3


TEMA 8

DISEÑO DE LAS MAZAROTAS

Razones para el uso de mazarotas.

En la lección sexta han sido analizados los fenómenos que origina la solidificación de las piezas fundidas, y la aparición de los rechupes como resultado de la contracción de la aleación fundida junto con la forma de la pieza y las condiciones de enfriamiento de la misma.

Sin haberlo hecho patente de forma expresa en las lecciones anteriores, es evidente que el rechupe es un defecto que, en ningún caso, puede beneficiar a las piezas. Es realmente algo ajeno y el diseñador de la pieza no ha contado en ningún momento con que el rechupe venga a formar parte de la misma. Pues bien, la misión o razón de ser de las mazarotas no es otra que la de compensar la contracción de la aleación desde el estado líquido (temperatura de colada) al sólido (fin de la solidificación), alimentando las partes en que prevemos debe aparecer el rechupe. En general, estas partes son, como sabemos, las últimas en solidificar.

Como definición, podemos decir que una mazarota es una prolongación de la pieza que tiene como misión servir de reserva de aleación líquida, la cual, en el momento de su solidificación, debe haber compensado las pérdidas de volumen que resulten de las diversas contracciones que experimenta la aleación.

Según esto, teóricamente, la mazarota debe quedar vacía cuando ha cumplido su misión. Este límite teórico es hacia el que tiende el fundidor en aras de la mejor economía

Como el rechupe no puede dejar de producirse, una buena alimentación consistirá en localizar el mismo en la mazarota.

Hay pues un desplazamiento del defecto de la pieza, que desaparecerá en el rebarbado al eliminar la mazarota. Esta noción de desplazamiento del rechupe hacia la mazarota es fácil de comprender si se consideran las superficies Ísotennas. Estas superficies se desplazan por efecto de la parte masiva de la mazarota, y la úhima isoterma debe quedar toda ella en la propia mazarota, si el diseño de la misma y su colocación han sido correctos.

Módulo de enfriamiento.

El estudio del tiempo necesario para la solidificación completa de una pieza, de forma

8.1


cualquie~ se ha efectuado teniendo en cuenta consideraciones teóricas, a partir de la fórmula fundamental de transmisión de calor. Estos resuhados teóricos se han visto confinnados experimentalmente por ensayos prácticos.

La fórmula de Fourier de transmisión de calor es:

o = temperatura en el instante t en un punto de coordenadas (x, y, z) 'A. = conductibilidad térmica p = densidad c = calor específico

todos considerados en el medio en que se realiza la transmisión del calor.

Partiendo de la ecuación anterior, y mediante adecuadas transformaciones e integraciones, se llega a:

que conocíamos de la lección anterior, y en la que:

t = tiempo hasta la solidificación total de la pieza V = volumen de la pieza S = superficie de la pieza k = coeficiente que depende de la forma de la pieza y de la densidad y propiedades térmicas del metal del molde

La relación V se denomina módulo de enfriamiento o solidificación. S

La fórmula anterior, que es la base del cálculo de mazarotas para piezas fundidas, presenta el inconveniente de que el coeficiente k es de muy dificil cálculo, pues en el momento actual no se conocen con suficiente precisión los poderes caloríficos y conductividades térmicas de muchos metales y aleaciones. Sin embargo dicha fórmula ha sido comprobada prácticamente, habiéndose

demostrado claramente la existencia de la relación lineal entre t y ( ;) 2.

El coeficiente k depende de la forma de la pieza. Sin embargo, tanto los cálculos teóricos como los ensayos prácticos han demostrado que la influencia de la forma en el valor de k es insignificante, y que dicho valor oscila muy poco al pasar de la forma esférica a la superficie plana

( casos extremos), siendo V quien describe la forma de la pieza. S

Así pues, en todo cuanto sigue, se considerará el valor de k independientemente de la


Diseño de las mazarotas

fo~ a igualdad de las demás condiciones, y sólo dependiente de las propiedades témúcas del metal y molde.

Esta fórmula pone de manifiesto una sencilla regla válida sólo para las aleaciones que solidifican en capa delgada.

La mazarota debe terminar su solidificación más tarde que la zona de pieza que está alimentando. De este modo podrá cumplir su misión. Ello significa que el módulo de enfriamiento de la mazarota Mm debe ser igual o superior al módulo de enfriamiento de la parte de la pieza que alimenta Mp-

Se acostumbra a tomar:

Radio de acción de las mazarotas.

No basta, evidentemente, situar una gran mazarota para alimentar una pieza, sino que será necesario tener presente que cada mazarota tiene un radio de acción limitado, más allá del cual su influencia es nula, independientemente de su tamaño y de su cálculo más o menos correcto. La mayoría de los casos prácticos exigen un estudio previo para conocer el número y situación más convenientes de las mazarotas antes del cálculo del tamaño de las mismas. Veamos ciertas consideraciones para las aleaciones que solidifican según capa delgada.

En general, las mazarotas deben situarse en las zonas de más dificil alimentación, en zonas masivas de última solidificación, procurando que ésta sea dirigida desde la pieza hacia la mazarota (solidificación dirigida). Otro aspecto importante que debe ser considerado es la facilidad de eliminación de las mazarotas tras la colada Así las mazarotas sobre secciones planas son más fáciles de cortar que las que se apoyan sobre superficies curvas.

Existen bastantes datos en la literatura técnica sobre las zonas de acción de mazarotas en diferentes aleaciones. Si se trata de barras, la zona de acción viene expresada por la longitud a ambos lados de la mazarota, a la cual se extiende la acción de ésta Si se trata de placas, la zona de acción es evidentemente circular. En la figura se presentan cuatro aspectos que ilustran la noción de zona de acción. Se trata de barras o placas de un determinado espesor. La figura a) presenta el caso general, mostrando la zona de acción B a ambos lados de cada mazarota. En la figura b) se aprecia el efecto de extremidad. En este caso la mazarota puede situarse a una mayor distancia B+E del borde libre, pues éste se enfriará más rápidamente. E es la distancia no necesaria de mazarota como consecuencia del efecto de extremidad. En la figura c) puede o bservarse algo


~. " < ...;

>< < t' Confurmado por moldeo

semejante, en el que el efecto de extremidad ha sido aumentado B+E+E' por la colocación de un enfriador, situado entre ambas mazarotas. Si su masa es suficiente se comprueba que su acción es, a la vez, suma del efecto de extremidad y de enfriador.

En los gráficos siguientes se presentan los valores en mm para B, B+E Y B+E+E' de los aceros al carbono con carbono comprendido entre 0,20 y 0,30, en el caso de piezas en forma de placas o en forma de barras de sección cuadrada. También se representa B+E para el caso de la fundición maleable y, en ambos casos, en función del espesor. Un estudio experimental conducirá a la obtención de gráficos similares para otras aleaciones. Corno barras se consideran todas las piezas de sección cuadrada, redonda o poligonal regular. Como placas, las piezas planas en las que, en su sección, una de las dimensiones es mayor que cinco veces la otra.

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Lo que acabamos de ver, exige la colocación en cada parte peligrosa de la pieza de tantas mazarotas como se obtengan a través del cálculo de los radios de acción.

Dimensionado de las mazarotas.

La primera operación en el dimensionado es calcular el módulo, pero para decidir el módulo de la mazarota hay que determinar primero el de la parte de la pieza que alimenta, es decir:

V M=2

p S p

El volumen Vp es fácil de conocer, al menos de forma aproximada. No ocurre lo mismo con la superficie Sp' especialmente el caso de piezas complicadas.

Caine fue el primero en hacer investigaciones y aplicarlas al caso del acero. Pero su curva adolecía de la necesidad de conocer la superficie de la pieza, algo dificil y que podía dar lugar a la introducción de grandes errores. La curva es en gran parte teórica, puesto que los parámetros



usados para el trazado fueron sugeridos por el requisito de que la mazarota debe poseer suficiente metal líquido para poder alimentar el rechupe. No obstante, la forma real de la curva es empírica y ha sido determinada a través de datos experimentales.

El gran valor de la curva de Caine radica en que permite obtener datos en presencia de una amplia variedad de formas y tamaños, tanto de la parte de pieza a alimentar como de la mazarota

M La curva muestra que al crecer la relación ~, el volumen de la mazarota necesariamente

Mp

decrece; por otro lado también muestra que para una pieza de volumen determinado, existe un tamaño mínimo de mazarota (el obtenido en el punto extremo derecho de la curva) que es aquella cantidad de metal necesaria para alimentar el rechupe.

Estas curvas se han usado muchos años en la práctica de la fundición de acero. Aún se emplean cuando la pieza es compleja y necesita más de una mazarota En estos casos, el tamaño de cada mazarota se calcula por separado a través del módulo de la parte de pieza a alimentar.

Pellini posteriormente simplificó el problema introduciendo la noción de factor de forma. Esto es, la relación entre la longitud más anchura de la pieza y el espesor de la misma, medido éste último en la dirección en que alimenta la mazarota a la pieza. El método de Pellini se aplica en numerosas fundiciones. La figura es válida para aceros de C~O,3%. Basta determinar el factor de forma de la zona de pieza, levantar la perpendicular hasta cortar a la curva superior y, en coordenadas, se tiene el porcentaje de mazarotaje. Si se fija la forma de la mazarota se tienen inmediatamente sus dimensiones. La determinación del factor de forma no siempre es fácil; en piezas complicadas deberán buscarse formas simples de sustitución.

JI

En cualquier caso, debe tenerse en cuenta que la relación Mm ¿ 1,2 Mp es suficientemente amplia y puede cubrir ciertos errores en la valoración del módulo de enfriamiento ~ de la pieza Cuando las formas son complicadas, la obtención del módulo se hace dividiendo en zonas y asimilando a formas geométricas más simples. Evidentemente no pueden darse reglas generales sobre este punto relativo a la equivalencia de diferentes formas. Es algo que exige un estudio particular de cada caso y el buen criterio del técnico de la fundición.

Creemos que el método más adecuado y general consiste en la determinación, aunque aproximada, del módulo de enfriamiento Mp de la pieza (valorada en exceso en caso de duda) y adoptar:



El tomar con exceso Mp puede hacerse despreciando toda la cara alimentada por la mazarota a efectos de superficie de enfriamiento, aunque la mazarota sólo afecte a una parte de esa superficie.

Una vez valorado Mp inmediatamente se tiene Mm' Pero para obtener las dimensiones de la mazarota debe fijarse la forma de la misma. Interesa evidentemente conseguir, para el mismo volumen de metal, el mayor módulo de enfriamiento posible en la mazarota La forma esférica cumple esta condición:

M = 4/3 1t r 3 r m 41tr2 3

pero el molde de mazarotas esféricas resulta complicado. Por ello se ha adoptado, de modo general, la mazarota cilíndrica

H = altura del cilindro D = diámetro del cilindro

Algunos autores se inclinan por mazarotas de H < 1 . D

Ello parece presentar algunos inconvenientes pues la zona de unión pieza-mazarota es grande y el rechupe puede alcanzar a la pieza.

El criterio actual más en boga parece adoptar como óptima una relación H comprendida D

entre 1 y 1,5, aproximándose más a este último. En estas condiciones puede adoptarse como módulo de la mazarota:

D M=m 5

En la siguiente figura se presentan algunas formas típicas de mazarotas.

11

::r::

D

,

11

::r::

D

Con lo expuesto hasta el momento la mazarota ha quedado decidida en su situación, forma y dimensiones.

En el caso de una mazarota exotérmica el volumen de la mazarota y su módulo pueden ser inferiores. La práctica muestra que puede tomarse:



Una mazarota exotérmica tiene la misma concepción que las nonnales objeto de esta lección, pero su volumen puede ser reducido debido a que la mazarota exotérmica está rodeada de productos exotérmicos (de ahí el nombre) que generan calor en contacto con el metal y mantienen a la mazarota durante un mayor tiempo en estado líquido. Estos productos tienen forma de manguitos y se colocan en el molde, en cuyo hueco interior se fonnará la mazarota, o bien son productos en polvo o en grano que se añaden a la superficie de la mazarota ordinaria una vez ha sido llenada con el caldo. En caso necesario se emplean los manguitos y los productos granulosos conjuntamente.

Unión entre pieza y mazarota.

Además de las condiciones antedichas para una mazarota, es necesario también que su zona de conexión con la pieza esté líquida durante el tiempo de solidificación, de tal modo que el metal de la mazarota tenga siempre libre acceso a la pieza a través del cuello de unión de ambas. Si tal cosa no ocurriera, podría muy bien suceder que la mazarota solidificara más tarde que la pieza pero que, por una prematura solidificación del cuello, la alimentación quedara impedida

Para dar un hbre paso del metal líquido de la mazarota desde ésta a la pieza pueden adoptarse cuellos de unión anchos de diámetro igual al de la mazarota o algo menor. Este método conduce a una más dificil eliminación de las mazarotas en el rebarbado.

Para hacer esta alimentación más sencilla, sin dejar por ello de cumplir la condición fundamental del cuello, éste debe ser tallado en ángulos vivos en la misma arena del molde o mediante la colocación de piezas de forma, preparadas con arena de machos. Es decir, galletas confeccionadas con arenas de macho y debidamente estufadas. Esta galleta puede ser de un producto exotérmico que proporcione gran cantidad de calor en el cuello de unión. Si estos dispositivos de estrangulamiento cumplen ciertas condiciones se podrá conseguir el mantenimiento del estado líquido en tanto dura la solidificación. El cuello de la mazarota puede ser representado esquemáticamente según la siguiente figura.

Sus dimensiones principales son su longitud 1 y su diámetro d. Diversas consideraciones teóricas, y la comprobación práctica de numerosos ensayos, han llevado a la conclusión de que para mazarotas de H = 1,5 D, debe cumplirse:

Acero: Aleaciones de cobre:

0,14D<1<0,18D 0,25 D < 1 < 0,35 D

d ~ 0,40D d ~ 0,65 D

El cuello de la mazarota no debe ser recto sino achaflanado, para permitir una mejor rotura y su localización.



Enfriadores.

La acción de las mazarotas viene complementada en muchos casos por la presencia de enfriadores. Se ha visto anteriormente como la zona de acción de las mazarotas queda aumentada por el efecto de un enfriador. Existe muy poco escrito sobre el cálculo de los enfriadores, pero como nonna práctica puede adoptarse que el espesor del enfriador debe ser por lo menos igual al doble del módulo de la parte de pieza interesada En el caso de placas (módulo e/2, siendo e el espesor) dicho espesor debe ser igual al espesor de la placa. La longitud de contacto debe ser también igual al espesor de la pieza (fig. 8.8).

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Enfriadoc extano

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Manguito

Los enfriadores pueden ser internos y externos. Los internos deben ser de la misma composición o similar que la pieza a obtener, y es deseable una fusión completa, o al menos superficial, del enfriador para no romper la continuidad de las piezas. Esto exige una selección cuidada del enfriador apropiado que, por otro lado, debe estar exento de humedad, grasa, etc. La figura 8.9 muestra diversos tipos de enfriadores internos y externos.

' ~. ' .. ' ./-.-7jJ.,- B

B(I'JI. !fe

F"tg.8.8

C!e

Vtg. 8.9

Mazarotas atmosféricas.

Las mazarotas que se han presentado en los párrafos anteriores son de gravedad: es el peso de metal liquido quien actúa como motor de la alimentación. Se hace necesario pues disponer las mazarotas en las partes altas de las piezas. Pero en muchos casos existen partes masivas en zonas inferiores de las piezas en puntos en que la alimentación por gravedad resulta imposible. En este caso la mazarota debe disponerse próxima a la zona en cuestión. Con frecuencia las mazarotas atmosféricas son alimentadas directamente por alguno de los ataques o canales de colada. Así se convierten en depósitos de metal caliente.

En este tipo de mazarota (que suele denominarse mazarota ciega atmosférica) se coloca


Disefto de las mazarotas : .. , .:

un macho permeable de arena o un lápiz de grafito en alguna de sus partes con objeto de que la presión atmosférica se establezca en el interior y el liquido residual sea empujado hacia la pieza con más eficacia. La presión atmosférica equivale a 1,35 m de columna liquida de acero, es decir, a una mazarota de gravedad de esa altura De ahí la gran influencia de la colocación de ese pequeño macho que comunica la mazarota con la atmósfera. Además se permite la alimentación de ciertas partes de la pieza en dirección ascendente venciendo la acción opuesta de la gravedad.

Un método adoptado para el cálculo de las dimensiones de las mazarotas atmosféricas es el de Heuvers, basado en el diámetro del máximo círculo que puede inscribirse en la parte más masiva de la zona de pieza a alimentar. Todas las dimensiones de la mazarota son función de ese diámetro.

Bebedero

o • ••

L:·:·: :~-:". ' .. ;!: :.::. ; '.;~ ~~ , •... ~ ',-. : ;-.:;. :.~ ... < ...... : :.~~. ~~. ~ :~ Bien

En general este método conduce a resultados muy similares a utilizar las tres reglas de las mazarotas abiertas nonnales. De este modo puede fijarse el módulo de la mazarota atmosférica Tal módulo, por el hecho de existir este efecto beneficioso de la presión atmosférica, puede reducirse en un 5-10% sobre el que se obtendría realizando los cálculos para una mazarota abierta

Las mazarotas atmosféricas son igualmente cilíndricas, con H = 1,5 D, rematadas por un casquete semiesférico. El cuello de unión pieza-mazarota debe responder a ciertas medidas que los ensayos experimentales han demostrado ser óptimas. En la figura 8.13 se presenta un tipo de mazarota corrientemente adoptado en Francia. El cuadro siguiente da, para acero, las diferentes cotas tipo de mazarotas

, las d' d las segun unenslones e rmsmas.

MAZAROTAS . MACHOS

D RJ H d B R2 Peso

b 0 r (kg)

a


a

Fig 8.13

e

8.9


70 33 29 45 25 7 14 2 2,22 42 15 3

90 43 37 58 30 9 18 2 4,66 49 14 4

110 51 47 71 35 11 22 3 8,37 56 17 4

150 71 67 97 45 15 30 4 22,10 70 20 5

190 91 89 123 55 19 38 4 46,50 84 24 6

250 120 125 162 70 25 50 6 109,00 105 27 8

290 140 ISO 188 80 29 58 6 174,00 119 30 9


TEMA 9

DEFECTOS EN LAS PIEZAS FUNDIDAS

Generalidades.

Los defectos, que suelen aparecer con no poca frecuencia en las piezas fundidas, tienen en general su origen en que alguna parte del proceso no ha sido debidamente controlada. La fusión, colada y solidificación comprenden muchas operaciones complicadas, siendo un control perfecto imposible. No es sorprendente que en el proceso de fundición se encuentren mayor variedad y número de defectos, que en cualquier otro proceso de fabricación. El estudio de los defectos, antes de ser una tendencia negativa del aprendizaje, es algo muy importante para todos los que intervienen, incluso el cliente. Estos defectos deben ser analizados y comprendidos, llevando el análisis hasta sus causas para corregirlas.

Todo taller se preocupa por reducir lo que representa una pérdida de tiempo, de material y de dinero. Por eso, seguidamente después de cada colada (en general al día siguiente), todas las piezas son recogidas y examinadas por los jefes responsables, o también por operarios, interesados en:

a) diagnosticar los defectos, b) evaluar las causas que los han provocado, c) evaluarlos en peso y en porcentaje respecto a la producción total, y registrarlos en el estado estadístico de la producción.

El diagnóstico de los defectos es una labor ardua, que requiere vasta experiencia en el arte de la fundición, y amplio conocimiento del personal de la empresa. Un error o fallo en la diagnosis de un defecto señala casi siempre el punto de partida para el nacimiento de un nuevo defecto de otra naturaleza.

Los defectos de fundición son numerosos, y puesto que cada uno puede ser provocado por muchas causas, se comprende lo dificil que puede ser establecer una clasificación satisfactoria. Se distinguen, ante todo, entre los defectos advertibles desde el exterior de la pieza y los defectos sólo advertibles por el examen del interior de la misma.

Los defectos manifiestos de la pieza pueden afectar:

1.- A la forma; como deformaciones, aplastamientos, hundimientos, empujes, rebabas y movimientos de las cajas.

2.- A la superficie; como aspecto basto, hinchazones, abombamientos, penetraciones, exfoliaciones, inclusiones de arena y dartas.

9.1


3.- Al conjunto de la pieza; como soldaduras e intermitencias, piezas no llenas y discontinuidades, arranques de partes del molde, escapes de metal, falta de metal, hendiduras, grietas y roturas.

Los defectos ocultos se manifiestan por:

1.- Soluciones internas de continuidad; como porosidades, pequeños agujeros, burbujas, sopladuras, rechupes, contracciones, meniscos, tensiones y grietas.

2.- Composición y estructura inadecuada; como temple difuso, temple localizado, temple inverso, estructura abierta o gruesa y segregaciones de grafito.

3.- Inclusiones de materias heterogéneas; como gotas frías, escoria, arena y negro.

En esta clasificación no hemos recordado algunos defectos, como los debidos a un proyecto equivocado de la pieza, o a errores de la construcción del modelo o de confección del molde. No se trata en estos casos de defectos de fundición verdaderos y propios, más bien de errores de ejecución, los cuales se deben obviar con la colaboración más estrecha entre el proyectista, el modelista y el fundidor, y con una bien estudiada serie de contro les y verificaciones.

De los defectos catalogados, algunos son definidos por su misma denominación, otros requieren alguna aclaración más detallada.

Defectos del exterior de la pieza.

Las deformaciones de los alabeos manifiestan tensiones internas y pueden alcanzar valores capaces de provocar también hendiduras, roturas expontáneas o por solicitaciones externas e inclusiones de pequeño valor (fig. 9.1). Las deformaciones y alabeos se presentan de modo particular en las piezas extendidas en longitud o en superficie. Tales defectos de obstáculos

Fig 9.1

Deformación (encorvamiento) de lo .. ejes de una pieza, ~au<,ada por la hetcroaencidad de los e .. pe~ores: las pieza.. presentan la com:a

vida.! en la parle de mayor espewt.

encontrados por la contracción, de enfriamiento anisotérmico después de la solidificación, por causas intrínsecas en la pieza (fig. 9.1 Y 9.2)0 por causas externas (fig. 9.3).


Defectos en las piezas fundidas

Ftg 9.2

Aarietamiento y rotura de los ra-dios de un volante causados por Ja excesiva diferencia de esr::sores entre cubo, corODa y radíos. y por la disposi\:i60 radial en número

par de ésto ...

Los aplastamientos y los hundimientos consisten en la reducción del espesor de las piezas a causa del hundimiento de una parte del molde o del alma, o por la inflexión de la media caja superior por carga excesiva, etc. (fig. 9.3).

Los empujes y las re barbas dependen del cierre imperfecto de las cajas en el acto de la colada (fig. 9.4).

Fig9.3 Reducción del espesor de una pie-

za. causada por hundimiento de la media caja superior, demasiado caraada.

Aurnmlo de e5peSOt' de una pieza y rebaba oc:asionadas por el anpujo rnctaIosllÍ.

tico 110 CORIran'tsIado por una ClIp svficiml •.

Los movimientos de la caja pueden ser motivados por varias causas. Si una pieza ocupa dos medias cajas, y éstas tienen los pernos o bulones de registro y sus respectivos agujeros deteriorados por el uso, puede ocurrir que la pieza resulte desviada, como indica la figura 9.5.

Son causas también de falta de registro los machos que tienen las entregas demasiado pequeñas en comparación con las portadas de moldeo o que no han sido fijados, según las reglas



del arte, con soportes adecuados en el molde, etc. (fig. 9.6).

Fig9.4

Movimiento de la "ja "usado por 0:1 CllCCliÍVO ¡ueso entre los pernos de rcabtro y

los alujeren de las onja, de la caja.

." ..... . ..... --,;.,;.;...-~-.;..-........ Fig 9.5

OHilualdad de C!¡pesor de un tubo a causa de la desviac:i6n del n.ac:ho debida al

empu~ metalostálÍl:o.

El aspecto basto de la pieza se revela en su superficie que presenta un grado de tosquedad y de rugosidad mayores que el propio de un trabajo cuidadoso. Este defecto en las piezas en seco resulta de que la arena es poco refractaria, su grano es demasiado grueso, ha sido incompletamente secada, el grano es malo o de otras causas parecidas; en las piezas en verde deriva de la arena mal trabajada y de que el negro mineral no es adecuado. Otra causa es una temperatura de colada demasiado elevada. Puede haber una auténtica sinterización.

Las hinchazones son unos abultamientos locales redondeados que se forman cuando, por efecto de la presión metalostática, las paredes del molde no bien atacadas ceden en un punto cualquiera (fig. 9.7). Los abombamientos son parecidos, menos levantados pero más extendidos.

Las penetraciones son causadas por un metal muy fluido que va a llenar los intersticios entre los gránulos de la arena de moldeo sin separarlos. Para evitar este defecto es preciso revisar el diseño de la pieza, el modelo, el molde, los elementos de colada, etc., a fin de evitar concentraciones de calor sobre las partes delgadas del molde y del macho, y asegurar un atacado uniforme y adecuado de la arena en todo punto del molde. En general, es suficiente reducir la temperatura de colada.

En las aleaciones de cobre, el defecto toma el nombre de embrozamiento. Para evitarlo, las arenas para fundición de bronce debe ser de grano más fino que el usado para hierro colado.

Las exfoliaciones se fo~ en general, en las proximidades de un terrón de arena atacada y por eso poco permeable. En el acto de la colada, los gases que se acwnulan en la masa del molde provocan el desmoronamiento del terrón, el cual, si el metal está aún fluido, flota y va a posarse contra las paredes superiores del molde (fig. 9.8). La pieza presenta después, por debajo, una protuberancia, y, por arriba, una inclusión de arena desprendida que no sale a la parte superior, sino que queda aprisionada en la pieza. A menudo la exfoliación está acompafiada de sopladuras o burbujas.



~97 HiDChu.ooea en un piaDo ele fuo.

dcbidu a h1lDClimieato de la U'O.Da de moldeo, mal .1ac:acIa en la caja.

Fig 9.8

Exfoliaci6n: Un terrón ........ se ~ de la pe.rte .feriar (a causa ele la eecaaa permeabiHdacl)., "Ya • Iotar CODtra la .uperfIciIP lIIperior cIeI lDOIdL la .. preMa" d","* abajo uaa ~baucia, ., encim. un.

caYiclad coa ~ de arena.

La darla es una batidura delgada de metal en la parte separada de la pieza y unida con el resto de la misma por una lengua de metal llamada grapa. Es causada por la escasa permeabilidad; los gases levantan una costra de arena, pero sin separarla, de la costra misma (fig. 9.9). Hay una dilatación del techo del molde que, si es muy duro, puede quedar impedida y se resquebraja.

Las inclusiones de arena, que se desprende de la superficie superior del molde y va a caer abajo, de donde luego puede ser arrastrada a puntos más altos del molde. El inconveniente sobreviene antes de la colada, también para hechos mecánicos externos, o en el momento de fundir, mientras el metal entra en el molde (fig. 9.10).

Darta: DeIecto debido Fig 9.9

I la misma "lila: el terróa DO se daprende lel todo ,. pennaaece aprisionado cm la pro

tubcra~.

\ .. ~. ~.~.~¡ .... !'-.,- ~ ...

:n !.i':.Z.;,;;¡'f;ii;';;~i,f"(,\ti:~Ú::i,~ftf! Fig 9.10

Otro defecto ... Ioto a to. preceden-tes: el lCtJOe le deIpt .... de una pared .aperior Y ........ trado por el metal, pe~ aprWonado

al una Dl1'Vlctura.

Una serie numerosa de defectos es la de las piezas no llenas y de roturas.

Si se interrumpe la colada o si la corriente del metal se desdobla, el nuevo metal alcanza el vertido con anterioridad, aunque sin soldarse ambos; se tiene así la soldadura y la intermitencia (figs. 9.11 y 9.12).


:~'., .. . ~ ~\\ .~.

't::=".=:# ~ Fig 9.11

tntermiteBcia: 1. parte lUpGicw cScI cubo ele 1. IzquJcrda DO .. ba lIOIdado con el

primer IQCtaI ... tracIo ca el .... tIQao.¡lII'""'"'"""


La -n.a.. .......... ha diyf. dido - .. ...,. roIIu d .... Jao ndoIIdo o d oval; al ..me 1M .toe CCNricafcs. no .. han

lOIdado.

Las piezas no llenas se presentan cuando el metal, por una razón cualquiera, no llena del todo el molde; las discontinuidades, cuando en una zona dada hay una interrupción total o parcial (fig 9.13). El defecto se presenta también bajo forma de grieta o costura de bordes redondeados, y pueda tener orígenes variadísimos, como elementos de colada mal concebidos, exceso de humedad, salida de aire y gases insuficiente, colada en cajas horizontales más bien que inclinadas, metal frío, composición quúnica equivocada, carga metalostática insuficiente, etc.

Los arranques de partes del molde se producen cuando, por ejemplo, el metal líquido durante la colada arranca una parte del molde, especialmente en las esquinas de los bordes. La pieza presenta en tal punto una acumulación irregular y desigual de metal. Para obviar este defecto es preciso usar arenas adecuadas y reforzar con clavos las zonas frágiles y peligrosas (fig. 9.14). Aparecen unas pequeñas depresiones de forma irregular en la pieza acabada que pueden estar distribuidas al azar o reunidas en grupos en donde se han juntado las impurezas, en uno o más vértices formados en el metal caliente. Los puntos de arena se hunden o flotan, dependiendo de la densidad del metal fimdido; también pueden quedar atrapados al crecer las dendritas a lo largo de las paredes laterales de las piezas. El exceso de turbulencias en el sistema de bebederos, el chorreado de metal en el molde, y las malas propiedades de la arena de moldeo, son causas de este defecto.

Fig 9.13 Pieza incompleta a QUsa de la deo

..-.ci6a .. la caja superior por carp ~cc. La colada ~ comiaue COJIIpalSU la púdida

de melaJ.

: .~ .. '.~.: .~ ~~/~1~:fi·t~\~ '., ' ... e.:' ..• -.............

;:.. .. ' .. , : o°· •• " 0- .... • -0· .. . : ... :: .~: ..

Fig 9.14

.:.., .... ~ •• : •• l.:. -:·:-·'·r .. • .. -.;.: .. ~ ....... :,.... ::

.~, ........ t •• ~ • ..

Arranque de un borde en arena del molde expuato a la corriente del metal en la

prolLimidad del c;;anal de entrada a la pieza.

Las hendiduras y grietas se producen siempre que quede impedida la contracción de la pieza en estado sólido. En general son: grietas en ángulo, grietas en partes masivas y grietas de



colada. Se verifican especialmente en las nervaduras, en los radios, en las piezas delgadas huecas, etc. Dependen, de modo particular, del diseño de la pieza., de la composición del metal, de la rigidez del alma o del molde, de los elementos para la colada y de la propia colada o entrada de caldo (grieta de colada).

Defectos en el interior de la pieza.

Los defectos que sólo pueden descubrirse penetrando bajo la superficie de la pieza son los más dañinos, porque, no pudiendo, en general, ser reconocidos desde el exterior por los medios normales, no salen a la luz hasta que se procede al mecanizado, al someter la pieza a la prueba de presión, o bien, aún peor, cuando, ya aplicada a su trabajo, cede a las solicitaciones externas y se rompe.

Las porosidades, los pequeños agujeros, las burbujas y las sopladuras tienen todas análogo aspecto. Se trata, en efecto (fig. 9.15), de burbujitas o burbujas esféricas o aplanadas (vesículas) de superficie lisa, provocadas por gases disueltos en el metal que escapan en el acto de la solidificación, o de gases o vapores que se forman en el molde, o al contacto de éste con el metal, y que, a causa de la escasa permeabilidad del molde, tratan de encontrar un paso a través del metal líquido, donde quedan aprisionadas en el acto de la solidificación.

Las sopladuras son a menudo provocadas por los machos rodeados por gran cantidad de metal, y por eso, aunque permeables, con escasa posibilidad de digerir todos los gases (fig. 9.16).

A«uicro<¡. burbujas :r ,'cskul., cau-

, ~d"" pur la uce-Iva humeJaJ ..Id molde. Tic· Re .. h~ .. la ~u~rh",'lc inlcri\)r.

Fig 9.16

SoplaJura< proyocada~ por el d",-prendimiento de la" dd macho. Las cavidad", e,lan en comunl.:ación con tI núcleo y tienen

la ~uperfic~ IRtuna lisa.

Hay dos tipos de puntas de agujas, burbujas o sopladuras: las de origen interno (endógenas) y las de origen externo (exógenas). Las primeras tienen las paredes internas no oxidadas, a veces brillantes; las otras, con coloraciones variables, están oxidadas. Los recursos para evitar estos defectos son diversos, por cuanto son muchas las causas que los pueden provocar, como:

a) Crear en el molde y en el macho canales para el escape de los gases y cargadores bien dimensionados y repartidos.



b) Emplear arena de buena calidad, bien preparada, permeable y bien seca (en el molde en seco) o bien cocida (para los machos).

e) Emplear aglomerantes adecuados, no alterables, no higroscópicos, y en cantidad adecuada.

d) Proteger los gases de los machos de modo que no sean obturados por el metal en el acto de la colada

e) Efectuar la colada con filtro.

f) Vigilar la conducta del horno, para evitar la oxidación del metal, y colar a temperatura conveniente.

g) Evitar el exceso de negro y los negros desmejorados.

h) Evitar la humedad en la solera del cubilote, en la piquera yen los calderos a fundir.

i) Evitar coquillas, soportes, alambres finos, húmedos u oxidados. Las partes que hayan de ser inspeccionadas (soportes) deben estar cuidadosamente recocidas y estañadas.

Los rechupes y contracciones o meniscos (fig. 9.17 Y 9.18) son cavidades con paredes recortadas por la presencia de dendritas formadas durante la solidificación. Alguna vez las dendritas ocupan por entero la cavidad, y se tiene la porosidad dendrítica. Si hay multitud de peque:ñas cavidades diseminadas en los intervalos interdendríticos e intercristalinos, se tienen los microrrechupes.

Re.:hupc cau .. ",Jn por una mau-rOla inwficienlC; la cavidad intcrna es ¡rrelu

Jar. a menudo con fenómeno\. de: I":uación.

Alguna vez, sobre todos cuando se cuela a alta temperatura, el rechupe, al formarse, atrae hacia sí la pared superior externa que desciende hacia abajo, y se tiene así el menisco.

Menisco sobre la superficie supe-, rior de una pieza, cerea de la mazarota, cauqdo

Sobre los ongenes de estos defectos se ha por insuficiencia de ésta.

tratado ya en lecciones anteriores. Además, los



rechupes pueden depender de un diseño inadecuado de la pieza. cuando ésta presenta nervaduras cnlVJdas o espesores diversos o mal concertados entre sí; de insuficiente presión metalostática, cuando la media caja superior es demasiado baja; de una concepción equivocada del dispositivo de colada cuando los bebederos y cargadores están mal dispuestos o son demasiado pequeños o están mal unidos a la pieza, etc. También la composición del metal es una de las causas más frecuentes de rechupes. En la fundición, este defecto puede ser favorecido por dos causas opuestas: exceso de elementos grafitizantes como el silicio y el fósforo, o exceso de condiciones o elementos estabilizantes de los carburos, como el exceso de manganeso o la escasez de silicio. Si los espesores son muy diversos en ]a misma pieza, dado que la fundición no puede ser más que de una sola cali~ es preciso alimentar con mucho cuidado las piezas, de modo que el enfriamiento comience en la zona más alejada de los cargadores y más abajo, aproximándose progresivamente a éstos.

En los casos más dificiles e importantes se aplican en los puntos más altos las mazarotas destinadas a fonnar una reserva de metal líquido, para alimentar hasta la completa solidificación de las partes macizas de la pieza; otras veces se disponen en las paredes afectadas del molde enfriadores externos (coquillas) o internos (clavos).

La microporosidad, el rechupe central, y aún laporosidad general que tenga la apariencia de rechupe, pueden ser cansadas por gases disueltos en el metal durante la fusión y el colado, así corno por el rechupe de solidificación. Frecuentemente cabe preguntarse: ¿Será gas o rechupe?

En algunos casos la distinción es relativamente sencilla. Las sopladuras o huecos que aparecen en una sección bien alimentada deben ser causadas por gases. Los huecos redondos, con paredes lisas, se deben generalmente a gases, mientras que los huecos angulares, quizás con ramas de dendritas penetrando en ellos, son causados usualmente por una alimentación imperfecta. A menudo, como en el caso de la fina microporosidad que se aprecia ocasionalmente en fundiciones no ferrosas, la distinción no es sencilla, y tanto el contenido de gases como el rechupe del metal deben tenerse en cuenta cuando se observa tal microporosidad.

~3:{<~~i. '·:···U:)': u;,w_~-.

Modaa ... ....,.ir 101 Ndlupes: a la izquierd., eafriadoI'Cs interum (el._ qdebeD estar trien ~ JewJUdadol ., ..... tladOl), ., a la derec:ba, cnfriacIorw atemos o coqulUu (ttanüzad0l COD Kei.. ... Iiaua. coc:idos ea estufa 'f .bta ..... dot _ calilnlc).

Rcchupe en una zona densa, y an· blanquecimieoto ea 110& zona del¡ada c.us.do por la diversidad de npesores Y. por consiauicnhe, por la imposibilid.;ad de acomodar la compo-

sil:i60 de la fundición,



Otros defectos comunes en la fundición son el temple localizado, el temple difuso y el temple inverso; tales temples o aumentos de dureza se manifiestan con un emblanquecimiento parcial o total de la sección; en la zona defectuosa casi todo el carbono es carbono combinado (carburo de hierro Fe3C), la dureza Brinell supera los 400+450 Hd, Y el metal ya no es mecanizable en la máquina herramienta a las velocidades o con los avances previstos. Ordinariamente estos defectos derivan de una diversidad de espesores en la pieza y, por tanto, de la inadecuada composición del metal para los espesores más delgados, que resultan después de fundición blanca, de equivalente de carbono demasiado pobre, de exceso de elementos estabilizadores de los carburos (manganeso y cromo) o de escaso contenido de elementos grafitizantes (silicio), de fundición oxidada o colada fría, de exceso de humedad en el molde, de desmoldeo prematuro, del uso de calderos de colada con revestimiento húmedo o frío, etc.

Tendencia al cmblaaquecimieato en la corona de una pok a a causa de la composi",ión inadecuada de l. fundición ('C + Si d~ma

sia~o bajo).

Los defectos opuestos, esto es, la estructura de grano abierto o de textura gruesa y la segregación de grafito, son causados por la presencia de copos o laminmas de grafito de textura gruesa que se forman en las paredes macizas de la pieza. Antes de todo es preciso corregir el diseño de las piezas, sustituyendo las secciones compactas por secciones menores nervadas, o bien aligerando las secciones mayores con machos, etc. Además, se necesita reducir el equivalente en carbono, o reducir el silicio y el fósforo, o aumentar el manganeso o el cromo o similares. Convendrá también colar las piezas con metal a temperatura más baja, o verter la fundición a intervalos menores, o acelerar el enfriamiento de las paredes con refrigeradores externos (coquillas) o internos (clavos estañados) o descubriendo las piezas seguidamente después de la colada.

Una última categoría de defectos es la de las inclusiones, se produce cuando cuerpos extrafios (escoria, arena, negro, etc.) son arrastrados por el metal durante la colada, o arrancados del molde, y permanecen aprisionados en el mismo metal seguidamente a la solidificación de la pieza (fig 9.23). De ordinario, las inclusiones, dado el menor peso específico del material que las forma, se encuentran en las superficie superior de las piezas. Una inclusión particular son las gotas frías (fig. 9.24), pequeños cuerpos esferoidales de metal incorporados al metal mismo, pero sin formar con él un todo; son ocasionadas por salpicaduras del metal en el interior del molde: las gotas, en contacto con el molde frío y a veces húmedo, se templan y oxidan, con lo que se endurecen y no se amalgaman con la masa metálica A veces las gotas frías son causadas por sopladuras (o las provocan) y por hervor del metal.



Fig 9.23

IncJusionn en la parte mperior del cubo de un volante que no han podido alcanzar

la mazarota. insuficiente.

Fig 9.24 ~========::::::f//rTT

/ /

Gotas frias incrustadL~ en la corona de un volante. La pieza resulta" de :JiCfcil

mecanización en el tomo.

Para impedir que las inclusiones de escoria entren en la cuchara, ésta deberá desnatarse antes del vertido, o deberán emplearse cucharas de pico de tetera o de colar por el fondo. También deberán emplearse depósitos de vertido de manera que cualquier escoria que viniese de la cuchara fuese detenida y no pasase al sistema del bebedero.

El sistema de canales deberá en sí proyectarse en forma que ejerza una acción de desnatado adicional sobre el metal que penetra en el molde.

Inspección de las piezas fundidas.

Tan pronto como las piezas fundidas están suficientemente limpias, se inspeccionan ocularmente, se reparan los defectos generales si es necesario, después de lo cual se inspeccionan nuevamente. Casi todos los métodos de inspección utilizables en los metales en general pueden aplicarse para comprobar y controlar la calidad de las piezas fundidas. Los métodos radiográficos se utilizan cada vez más, particularmente si el trabajo de las piezas fundidas ha de ser severo.

En tales aplicaciones hay que tener la seguridad de que las piezas fundidas son macizas, es decir, que no presentan poros o cavidades.

Se han publicado normas muy estrictas para la inspección radiográfica, tales como las Normas Radiográficas para Piezas Moldeadas en Acero (Radiographic Standards for Steel Castings del U. S. Bureau ofSips, Navy Departament, Washington D. C.).

Otras normas similares se han publicado para aleaciones de aluminio y de magnesio, y es probable que vayan apareciendo normas precisas para la inspección con elementos fluorescentes o con polvos magnéticos.

Originalmente la inspección radiográfica de las piezas fundidas solamente era deseable por parte del consumidor, como una seguridad de la pieza fundida adquirida

Los fundidores han encontrado ahora que tales pruebas de exactitud pueden ser de gran ayuda en sus esfuerzos para mejorar el producto obtenido. Para trabajos de calidad, la mayoría de los Talleres de Fundición importantes utilizan actualmente todas las pruebas de control de que pueden disponer.



El USO de métodos de control estadísticos de la calidad para inspeccionar las fundiciones es un nuevo y prometedor adelanto en los talleres de fundición. Por medio de los métodos estadísticos de muestreo solamente se comprueba críticamente un número reducido de piezas producidas. Esto ahorra tiempo y dinero y, a menudo, demuestra ser adecuado como o comprobación del 100 % de la producción.


TEMA 10

DISEÑO CORRECTO DE LAS PIEZAS FUNDIDAS

Generalidades.

Hemos indicado los medios con los que el fundidor puede atenuar o suprimir, en la piezas moldeadas, los defectos debidos a las diversas contracciones que acompafian al enfriamiento de la aleación en el molde. Lo que hemos dicho demuestra que las técnicas que deben adoptarse (y que dependen de cada caso particular) complican el trabajo de moldeo. Si bien es cierto que es prácticamente posible, con los medios de los procesos de fundición, obtener casi todas las piezas deseadas, es igualmente cierto que tma pieza que tenga formas que faciliten su alimentación y que permitan evitar la formación de rechupes internos, cuyas conexiones tengan valores tales que no se tema la aparición de grietas y cuyos espesores sean tales que el enfriamiento permita obtener en todo instante la casi completa isotermia, se ejecutará con mucha mayor facilidad, y sobre todo, con una mayor seguridad de ausencia de defectos y de tensiones.

Es absolutamente necesario que los ingenieros, proyectistas, disefiadores de oficina, sepan cuáles son los defectos que pueden presentar las piezas moldeadas mal trazadas, que conozcan por qué medios, a veces complicados y siempre delicados de aplicar, el fundidor puede remediar los defectos posibles que resultan de un diseño incorrecto, con el fin de que se den cuenta que, si el remedio existe, es mucho más lógico, más seguro y menos costoso no imponérselo al fundidor, diseñando piezas (cuyas formas, secciones y espesores sean estudiados y determinados) que puedan obtenerse con procedimientos de moldeo sencillos.

Trazado de piezas para evitar el rechupe.

Sabemos que los rechupes se producen siempre en las partes de la pieza que permanecen en último lugar líquidas (o pastosas). La primera ley del trazado de una pieza de fundición es, por tanto, disefiar piezas que no presenten ninguna parte relativamente maciza, dicho de otro modo: evitar los puntos calientes, de donde:

PRIMERA LEY DEL mAZADO: diseñar piezas cuyos espesores sean constantes durante el moldeado.

10.1


Se estudiará la forma general de la pieza con el fin de que se presente con espesores tan constantes como sea posible. ejemplo: el zócalo de la figura 10.1 está mal trazado, ya que

hl~ 1 ,1- ~-l

,11

presenta en M una masa que necesitará un sistema de mazarotas muy importante. El vaciado del zócalo, tal como se indica, permite obtener una pieza que se presenta como un edificio formado por paredes de espesores iguales.

a) Unión de dos paredes: Dos paredes PI y Pz, de igual espesor E, que se cortan bajo un ángulo a, dan lugar en la pieza, en su intersección, a la formación de un punto caliente (fig. 10.2), debido a dos causas:

- el aumento local de la sección que resulta de las medias cañas de las conexiones,

- el calentamiento local de los ángulos de arena 1-2-3-4.

El trazado de piezas deberá, por tanto, ser tal que se evitan estas uniones si es posible, o por lo menos que se estudien, para que el efecto de masa sea lo menos importante posible.

Fig. 10.2

b) Unión de dos paredes en fonna de V: Las paredes PI Y P z dan en M una masa que será un punto caliente de la piez (fig. 10.3); si el diseño es tal como se indica en la figura 10.4 el trazado permite evitar toda causa de punto caliente.

Valor del radio R.¡. Este valor debe ser tal que el efecto del ángulo prácticamente no se haga notar. Para esto es preciso que, en cada instante del enfriamiento, las superficies isotermas deben ser paralelas a las paredes de la pieza. Esto implica que las paredes de la pieza sean ellas mismas paralelas, por tanto, que estas paredes tengan un espesor constante (lo cual ya hemos dicho), y que la media caña de conexión de radio R.¡ sea concéntrica con la curva de radio Re,

E

~=R¡+E

Fig.103

Teniendo en cuenta lo precedente, R¡ depende de:


Fíg. 10.4

luego:

Diseflo correcto de las piezas fundidas

- El valor del ángulo CI de las dos direcciones de las paredes.

- De la temperatura de la aleación colada y de la naturaleza de esta aleación.

- De la conductibilidad térmica, o más exactamente, del poder refrigerante del material que constituye el molde en lugar de la unión.

- Del valor del espesor E de las paredes en conexión.

En muchas oficinas de proyectos tienen normali:zados los valores de R más prácticos para su quehacer diario.

c) Unión de dos paredes en T: Dos paredes en T, de igual espesor E, conectadas por medias caftas de radio R, dan lugar en su unión a la formación de una masa (fig. 10.5).

Fig. 10.5

La modificación del regulari:zar los espesores (fig. 10.6).

Fig. 10.6

Fig. 10.7

trazado indicado permite

Si las direcciones de las dos paredes no son perpendiculares, la masa en conexión aumenta y se hace preciso un diseño que logre la perpendicularidad (fig. 10.7).

d) Uniones en cruz: Tales uniones, que son siempre origen de una masa importante (diámetro del círculo inscrito próximo a 2 E), se evitarán y sustituirán por:

- el trazado de la figura 10.8, en el que las nervaduras han sido separadas de forma tal que la distancia de sus ejes sea por lo menos igual a 2 R¡ + E.

- el trazado de la figura 10.9, en el que D es por lo menos igual a 1,5 E, haciendo uso de un macho.


Fi!- 10.8

Unión de tres paredes: Se pueden presentar casos.

E

Fig. 10.9

1.- Cuando las tres paredes forman una Y. El trazado muestra que, a espesores iguales, el círculo de menor diámetro, tangente a las medias cafias de conexión de radios adecuados (círculo inscrito), se obtiene cuando las tres direcciones están a 120° (fig. 10.10). Por tanto, deberá buscarse esta disposición.

2.- Cuando las tres paredes forman una flecha. Esta disposición es particularmente mala y deberá evitarse siempre. Si esto fuera imposible deberá sustituirse por un trazado tal como el que se indica en la figura 10.11.

Confurrnado por moldeo

Fig. 10.10

e ) tres

3.- Cuando las tres paredes forman un triedro. El vértice del triedro se suprimirá y se sustituirá por una parte de esfera, tanto en el exterior como en el interior, siendo concéntricas las esferas de conexión y habiendo elegido siempre el mayor radio interior posible.

Cuando dos paredes se cortan en X, su unión da lugar a la formación de una masa importante. Tal unión, que puede considerarse como dos uniones en Y muy próximas,

Fí~ ton debe evitarse siempre. Se modificará el trazado según la figura 10.12,

escogiendo el ángulo lo más próximo posible a 120°.

Después de haber determinado, de acuerdo con el fundidor y las demás personas responsables del mecanizado, el valor de los sobreespesores de mecanizado a prever, se disefiará la pieza bruta de fundición de tal forma que sus espesores sean tan regulares como sea posible.

Casos de piezas cuyos espesores no pueden mantenerse constantes.

Fig. lO.U

La uniformidad de espesores no puede mantenerse siempre en las piezas antes de ser roo Ideadas. Incluso se puede decir que, con mucha frecuencia, es prácticamente imposible diseñar piezas en las que los diámetros de los círculos inscritos en las distintas secciones rectas sean


Diseño correcto de las piezas fundidas

idénticos en todas partes.

SEGUNDA LEY DEL lRAZADO: Cuando es imposible dar espesores constantes a una pieza de fundición, el trazado deberá ser tal que los círculos inscritos (o esferas inscritas) en cada sección horizontal de la pieza, tengan diámetros superiores o por lo menos iguales a los círculos inscritos en una sección horizontal inmediatamente inferior, estando la pieza en posición de colada.

La pieza ideal considerada desde este punto de vista es el cono (o el tronco de cono), efectuando la colada estando el vértice colocado mirando hacia abajo del molde.

Este trazado permite realizar lo que se designa con los términos de:

- Solidificación dirigida de abajo a arriba, y regularmente.

- Autornazarotado.

La regla del trazado deberá aplicarse no solamente a la pieza sino al conjunto de la misma,es decir, al sistema pieza-mazarota (fig. 10.13). En la figura 10.14 se muestran dos ejemplos de trazados de acuerdo con esta regla de solidificación dirigida Para cada uno de éstos, se ha indicado a la derecha del eje vertical el trazado correcto, ya la izquierda el incorrecto, del que resultan los rechupes; las mazarotas se representan por medio de puntos. Los rechupes se indican en negro.

El dibujo, que permite obtener la solidificación dirigida de abajo a arriba, debe

Fig. 10.14

PiI·IO.U

tener en cuenta todos los espesores de mecanizado. Se trata de efectuar correctamente el trazado de la pieza de fundición y no el de la pieza terminada; y como hemos indicado, es indispensable ejecutar los disefios de piezas brutas moldeadas, incluso en los casos más sencillos.

Los diseños de piezas deben acotarse completamente, de tal forma que el modelista ejecute los modelos de acuerdo rigurosamente con las indicaciones del trazado. En particular, se definirán perfectamente los espesores en todos los puntos, y se indicarán claramente siempre los valores de las medias cañas y de los radios.

Es evidente que una pieza bruta de fundición, diseñada para obtener una solidificación dirigida de abajo a arriba, debe colarse en una posición bien detenninada. Cualquier otra posición daría como resultado la modificación relativa de los espesores, el automazarotado no podría realizarse y naturalmente se producirían rechupes.

Deformaciones de paredes: Ciertas aleaciones de gran contracción de solidificación, y por



tanto muy sensibles a los rechupes, no permiten obtener piezas sanas más que:

- si se respeta estrictamente la ley de las esferas inscritas (éste es en particular el caso de las aleaciones ligeras y del acero moldeado), o bien,

- si se colocan correctamente enfriadores internos o externos y si estos enfriadores son de masa y formas adecuadas.

Luego, cuando se trate de aleaciones con punto de fusión relativamente bajo (aleaciones de aluminio y las de magnesio), el empleo de enfriadores externos es, si no simple, por lo menos muy eficaz y casi siempre posible; no sucede lo mismo con aleaciones con punto de fusión elevado, tales como el acero moldeado. Cuando se trate de estas aleaciones, únicamente los enfriadores internos tienen un empleo prácticamente posible. Pero éstos no pueden disponerse en el molde sino cuando la pieza admita la heterogeneidad de estructura local que resulta de su empleo. Si la pieza exige la más perfecta homogeneidad posible, únicamente la solidificación dirigida de abajo a arriba permite obtener piezas sin rechupe.

A pesar de todo el empefto que ponga el diseftador en trazar piezas que, en general, permiten realizar un automazarotado, habiendo escogido bien el sentido de colada, existen numerosos casos en los que el destino de la pieza, los esfuerzos de su utilización, necesidades de montaje, etc., exigen que el dibujo se presente con variaciones de espesores, acumulaciones de metal, estando todo dispuesto de forma anárquica respecto a las condiciones normales de una alimentación que provoca la solidificación dirigida. En tales casos es preciso, por lo menos, que después que ha tenido lugar la colada pueda efectuarse perfectamente la solidificación dirigida; de ahí la necesidad de colar piezas brutas a veces completamente distintas de la pieza acabada, y cuyo trazado prevea sobreespesores por todas partes en que sea preciso para que, estando el molde en posición de colada, se respete la ley de las esferas inscritas.

La regla del trazado de tales piezas brutas así "deformadas" es la siguiente:

1 0. - Dibujar la pieza tal y como debe quedar una vez terminada y lista para su montaje (pieza acabada).

2°._ Partiendo de este dibujo (sobre trazado, por ejemplo, con el fin de facilitar el trabajo material) dibujar la pieza añadiendo, donde sea necesario, los sobreespesores de mecanizado.

3°._ Inscnbir un círculo en la pared que, durante la colada, sea el punto de la pieza más bajo.

4°._ Trazar entonces, ascendiendo hacia las partes altas de la pieza, círculos cuyos diámetros sean mayores o por 10 menos iguales a los que tienen una altitud inferior. La forma de la pieza bruta viene entonces dada por la superficie que cubre todas las esferas cuyos círculos trazados anteriormente sean círculos mayores.

Si la pieza no se mecaniza más que por una de las caras de la


Fig. 10.15


pared, los círculos trazados a lo largo de ésta serán tangentes a la cara no mecanizada (fig. 10.15).

Fig. 10.16

Si se mecanizan las dos caras de la pared, los círculos trazados pueden entonces arreglar más o menos el dibujo de la pieza tal como se prevé en el punto 23 de la regla precedente (pieza acabada más espesor mínimo de mecanizado), dando entonces un espesor suplementario al previsto en un principio. El trazado definitivo de la pieza bruta debe por tanto efectuarse de acuerdo con las personas responsables del mecanizado, las cuales deben indicar si, contado con los medios e instrumentos que poseen, prefieren que el material suplementario se disponga hacia el interior, hacia el exterior o bien debe repartirse de forma igual (fig. 10.16).

Cuando no existan razones imperiosas que impongan un trazado especial, el dibujo de la pieza bruta deberá disponerse siempre de forma que el moldeo quede simplificado al máximo. El trazado de la figura 10.17 (b) simplifica el moldeo (salientes en el mismo sentido, sin necesidad de macho). La forma (a) exige el empleo de un macho, o el moldeo con un aro intermedio partiendo de un modelo desmontable.

(a)

(b)

En la figura 10.18 puede observarse un ejemplo de trazado deformante. Tales trazados, si bien permiten obtener piezas sin rechupe, aumentan por supuesto el precio de la pieza terminada, debido al mecanizado suplementario. También se incrementa el precio porque es necesario colar más metal del que era preciso, en teoría, para obtener la pieza mecanizada. El transporte de la pieza bruta cuesta más caro, su manipulación es menos fácil debido a su peso. Todas estas causas hacen que se trate de evitar tales soluciones, y que no se empleen sino en caso absolutamente necesarios. Es el ingeniero, los responsables de las oficinas técnicas y los delineantes, los que deben buscar formas tales que no hagan necesarias esas complicaciones.

Por el contrario, si debido a la presencia Fig. 10.17 de espesores necesarios en una parte de una

pieza, se debe prever una pieza bruta deformada, no hay impedimento alguno, desde el punto de vista de la calidad de la misma, en modificar la forma de la pieza.

Antes de haber visto el dibujo de la pieza bruta, el diseño puede no haber pensado, o incluso previsto, así la forma de la pieza terminada, creyendo complicar demasiado el moldeado. Esto demuestra que es preciso:

Ag. 10.18

1°._ Dibujar las piezas brutas moldeadas, inmediatamente después de haber trazado las formas de las piezas mecanizadas (y esto de acuerdo con el fundidor y las personas encargadas del mecanizado).



2°._ Que sea el mismo responsable, o mejor dicho, el mismo disefiador el que se encargue de ambos trazados; el método que consiste en hacer trazar las piezas brutas, según el diseño de las piezas tenninadas, a otra sección separada de la oficina de estudios es un error ya que no permite revisar o criticar un diseño según la pieza bruta con tanta facilidad y rapidez.

Trazado de las piezas para evitar las tensiones internas.

Aunque los rechupes no sean más que defectos externos especiales, dado que se encuentran localizados en las conjunciones de las partes gruesas con las delgadas, y que su masa es debida a lo que hemos llamado efecto de ángulo, es imprescindible estudiar por separado el trazado que permita evitar su formación; porque si la preocupación del ingeniero y del diseñador de estudios es dibujar piezas de espesores constantes, o en su lugar piezas que durante la colada presenten formas tales que permitan asegurar una solidificación dirigida de abajo a arriba, no es menos cierto que en muchos casos es imposible, por lo menos localmente, realizar estas condiciones ideales. El resahe en una pared delgada, la unión de dos paredes de espesores desiguales, son en ciertos casos necesidades impuestas por el destino de la pieza, la cual, a pesar de esto, debe estar perfectamente sana después de la solidificación. Lo que hemos indicado con respecto al efecto del ángulo, relacionado con la formación de grietas, demuestra que los ángulos vivos entrantes deben estar siempre absolutamente prorubidos en las piezas de fundición.

Las grietas y los rechupes no pueden evitarse más que si el radio de la media caña de conexión es suficiente, ya que si ese radio es demasiado débil el efecto del ángulo, aunque disminuido, es a pesar de todo suficiente para que se manifieste un principio de grieta o el comienzo de un rechupe.

Independientemente del radio de conexión que forma la media caña, la unión de dos partes de espesores distintos debe dar lugar a una variación progresiva de espesores, por una parte evitar la formación de la grieta de ángulos, y por otra parte que el rechupe exterior que se produce (efecto del ángulo combinado con la acción de la presión atmosférica) deje una parte de material suficiente para la conexión.

En la figura 10.19 el rechupe externo que se produce (siendo el radio de un valor suficiente para que no tengan lugar ni rechupes ni grietas) da como resultado el dotar localmente a la pieza solidificada de un espesor el < e; esta disminución local de espesor puede conducir, durante el enfriamiento o mientras está la pieza funcionando, a una rotura como consecuencia de fatiga demasiado elevada en este punto. En la figura 10.20 la unión progresiva (en trazo fino) de la cavidad del molde, da a la unión una masa tal que después de la formación del rechupe externo,

el espesor ez > e; no existe el temor de que aparezca ningún punto débil en esta zona.

Fig. 10.19



En cuanto al entre paredes de pennitido detenninarlos. de aleación interesadas, defecto por otro, de las considerada, que juegan contracciones, etc.).

Fig. 1020

valor de los radios y de las pendientes de unión espesores distintos, únicamente la práctica ha Estos valores dependen en efecto de las masas y por supuesto, ya que se trata de sustituir un características de solidificación de la aleación un papel frente a estos defectos (diversas

Para que una pieza moldeada esté exenta de tensiones internas, tanto durante su enfriamiento como después del mismo, se precisa. en primer lugar, que su masa se conserve isotérmica, desde el final de la solidificación hasta que alcance la temperatura ambiente. Para conseguirlo se deben adoptar sistemas de distribución que no creen grandes diferencias de temperatura en las distintas zonas de las piezas; al mismo tiempo los moldes se deben construir de forma que no impidan la libre contracción.

Cuando se producen tensiones internas, los esfuerzos resultantes son capaces de producir roturas, grietas y deformaciones (fig. 10.21 y 10.22). El fenómeno es particularmente intenso cuando el metal está aún en estado pastoso (dendritas más líquido) o imnediatamente después de la solidificación, cuando su resistencia es todavía muy baja. Las grietas así formadas pueden ser superficiales o internas.

El molde impide la contracción de la parte central

: ... ~ .... ".:.- . . ". ~ .' . ....... -.-. ..-.-. :.: . .' . .~ ••• ~: #~.~

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Grieta

000 000

No permite las deformaciones elásticas

La zona central AB se sotidifica en primer lugar Y se contrae

: . . ---La zona periférica aoIidifica, deopuéo se contrae y comprime • AB deformándola Y rompiéndola

DO DOO Permite las deformaciones elásticas

Fig. 10.21

La zona periférica lOIidifica en primer lugar

;l@·:;~:r. ~" ,."." ••• #. #. ". :

. ',.' .' ~ ...... : .,.".,: ,

La contra<:ci6n de la zona AB está impedida por la zona periférica.

Grieta l' DioeIIo incorrecto ~. correcto

I ~--I

'-_.~-----

Evitar ángulos vivos



Estos defectos se pueden evitar, en parte, si se tienen en cuenta las siguientes reglas:

1) Diseñar la piezas de fonna que se mantengan los espesores constantes y se supriman los cambios bruscos de sección (ángulos vivos entrantes), sustituyéndolos por radios de unión adecuados o uniones progresivas.

2) Comenzar la colada por las partes más delgadas y acelerar el enfriamiento de las más voluminosas con enfriadores externos o internos.

3) Emplear moldes y machos lo suficientemente defonnables para que cedan a la contracción.

4) Adoptar para las piezas formas que se puedan defonnar libremente sin crear ninguna rigidez local. Las tensiones debidas a la contracción, a lo sumo sólo deben producir flexiones elásticas en ciertas partes de la pieza.


c::: )

( )

Fig. 10.22

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