Fundición y colado de materiales

Indice1. Introducción 2. Proyecto y diseño. 3. Tratamientos térmicos, recubrimientos y similares 4. Hornos para fundir los metales 5. Bibliografía

1. Introducción

Según la clase de que debe realizar el constructor de máquinas , en la ejecución de sus proyectos utiliza:

1. Metales laminados o perfilados
2. Metales forjados
3. Elementos metálicos unidos entre sí por medio de ensambles o soldadura
4. Piezas metálicas obtenidas por fundición o colado.

Estas últimas constituyen en la mayoría de los casos la parte preponderante de las máquinas , ya que el procedimiento de la fundición permite obtener fácil y económicamente piezas de diversas formas y tamaños y utilizar de modo conveniente algunos metales y aleaciones cuyas características particulares no los hacen aptos para la laminación , la forja o la soldadura , por ejemplo el hierro colado.

La fundición es , por lo tanto , una industria fundamental para la construcción de máquinas y exige una amplia cultura profesional en el que se dedica a ella , pues requiere conocimientos técnicos tan diversos como son el dibujo industrial , la mecánica de los cuerpos sólidos y fluidos , la óptica , la termología , la electrotecnia , la química etc. , mucha experiencia en los recursos prácticos a los que a menudo hay que recurrir , así como capacidad especial para idear y aprovechar tales recursos .

La fundición además de una industria es también un arte : el moldeador , sin más ayuda que la de un modelo y algunas herramientas rudimentarias , puede producir piezas muy complejas realizando un trabajo que puede llamarse de escultor .Para terminar la pieza hace falta como en todos los demás procedimientos industriales , someter las materia primas ( que en este caso es el metal en bruto fundido en lingotes y la chatarra ) y las materias auxiliares (esto es , el combustible , las arenas , los aglutinantes etc.) A una serie de ordenadas de operaciones sucesivas que constituyen el llamado diagrama de trabajo , que para le industria de laque tratemos puede ser reducido al siguiente esquema.

2. Proyecto y diseño.

El proyectista , al idear la maquina , debe darle un cuerpo resistente y duradero :, calculando por consiguiente , las diversas partes de la misma y , para transmitir sus ideas al constructor , realiza los diseños de conjunto y los detalles de cada pieza , debidamente acotados . A este fase del diagrama de trabajo no sigue inmediatamente la fundición .

Ejecución del modelo Después de las debidas comprobaciones , el diseño para modelistas , si el modelo ha de ser de madera o a un mecánico especializado come si ha de construirse de metal . En colaboración con la fundición , el modelista o el mecánico o el modelista construyen el modelo teniendo en cuenta el sistema de moldeo que adoptara el fundidor , el grado de contracción del metal y los espesores de mecanización. Si la pieza ha de tener un hueco interior el modelista hará también la correspondiente caja de machos , almas , núcleos o noyos .

Moldeo Una vez comprobado el moldeo para el moldeador , quien debe hacer el molde o forma reproducción en negativo de la producción y las dimensiones de la pieza que ha de ser fundida . El molde puede ser :

1. Perdido (transitorio) En este caso el molde se hace comprimiendo arena de fundición alrededor de l modelo colocando en el interior un bastidor adecuado llamado caja después de la colada ; se levanta la caja y se rompe el molde para extraer la pieza. Para hacer otra pieza es necesario rehacer el molde .
2. Permanente. En este caso el molde se prepara sin ayuda de modelo alguno labrando directamente en negativo la pieza en uno o varios bloques de metal (generalmente hierro fundido o acero ) que viene a constituirla coquilla que dura numerosas fundiciones algunas veces los moldes permanentes se hacen de yeso , de modo que sirvan para varias coladas con solo leves reparaciones cuando la pieza ha de tener huecos interiores el noyero con la caja de machos u otros utensilio , hace los machos o noyos convenientes .Los moldes perdidos son aptos para la colada de toda clase de metales y para piezas de cualquier dimensión ; en cambio , los moldes permanentes en coquilla se adaptan especialmente para fundir pequeñas piezas sencillas y en gran numero de un modo particular para metales de bajo grado de fusión (aleaciones de cobre de aluminio , de cinc , de plomo o similares ).Los moldes de coquilla confieren en algunas aleaciones (por ejemplo al hierro fundido).Características mecánicas especiales ( un grado de dureza muy elevado) por que modifican profundamente su estructura ; por ello se emplean para la colada de piezas que han de estar sometidas a un fuerte desgaste , como los cilindros de maquinas laminadoras , ruedas para ferrocarriles , bancadas para maquinas y herramienta , etc. Si las pieza de hierro fundido obtenido de los moldes de coquilla han de ser trabajadas posteriormente en máquinas de herramienta deben ser sometidas a un oportuno tratamiento térmico ( por ejemplo , los tubos centrifugados)

Preparación de las arenas. Para los moldes perdidos es necesario preparar la arena , añadiéndoles las materias adecuadas para que adquieran las propiedades convenientes para el buen éxito de la colada . Estas propiedades son : permeabilidad , cohesión , refractariedad , dureza , etc.

Preparación de la coquilla. Para los moldes permanentes , hay que construir la coquilla mediante operaciones mecánicas de torneado , fresado , etc. , y prepararla para la colada recociéndola y recubriéndola con una capa de barniz protector

Retoque del molde . Hecho el molde es necesario levantar la caja extraer el molde , perfilar y acentar las partes arrancadas , colocar los eventuales machos destinados a formar los huecos en el interior de las piezas , y volverlo a cerrar , incluso en los moldes de coquilla hay que colocar los machos (metálicos o de arena antes de cerrarlos de nuevo) .Esta operación recibe el nombre de retoque de molde o recomposición de la forma.

Preparación del metal fundido El metal se alentara a temperatura de fusión , es decir se reducirá del estado sólido al líquido .Esta operación puede realizarse en un horno de combustible o en un horno eléctrico , cada tipo de horno posee sus características , sus ventajas , sus inconvenientes , sus exigencias y sus aplicaciones particulares .

Colada Cuando el molde esta repasado y cerrada sólidamente de modo que resista la presión metalostática se puede introducir en el mismo el metal fundido a través de uno o mas aberturas de colada (bebedero) previamente dispuestos en el molde.

Solidificación y enfriamiento.

Después de la colada , se debe esperar que la pieza se solidifique y se enfríe en el molde .Las piezas pequeñas de molde especial las que se vacían en moldes de coquilla , se solidifican y enfrían en pocos instantes . Las mayores , coladas en moldes de arena requieren algunas horas mas o menos , según sus dimensiones en cuanto a las piezas macizas de gran tamaño no son accesibles a las operaciones posteriores mas que al cabo de algunos días.

Desmoldeo

Cuando la pieza se ha solidificado y enfriado hasta el punto de poder ser manipulada sin peligro , se procede al desmoldeo , bien se trate de coquillas o de cajas . Para realizar esta operación , después de levantar la caja se rompe el molde de arena con martillos o barras adecuadas . Los moldes permanentes de yeso y las coquillas metálicas solo han de abrirse ya que , después de sacada la pieza , deben ser utilizados nuevamente.

Acabado . La pieza extraída del molde está áspera , tiene incrustaciones de arena y las rebabas que corresponden a las juntas de la caja o de la coquilla y lleva unidos todavía bebederos , cargadores y mazarotas. Es necesario pulir la pieza , desprender los bebederos y los cargadores , desbarbarla , limpiarla con el chorro de arena etc. , al objeto de mejorar su aspecto y hacerla apta para los procesos sucesivos.

3. Tratamientos térmicos , recubrimientos y similares

Algunas veces las piezas han de ser sometidas a tratamientos térmicos (al recocido , el acero y el hierro fundido colado en la coquilla ; al reposo o maduración artificial., y a los tratamiento térmicos , las aleaciones de aluminio) o ser recubiertas por materiales protectores especiales (alquitranando los tubos para conducciones de agua y de gas , esmaltado de las piezas para la industria química o para uso domestico , galvanizado , estañado, etc.)

Mecanización . Las piezas destinadas a la fabricación de alguna máquina pasan finalmente al taller para su mecanización por medio de maquinas herramineta. Esta mecanización tiene por objeto dimensionar exactamente la pieza para que las varias partes ajusten cinemáticamente y asegurar con ello el perfecto funcionamiento de la máquina.

Arenas de fundición Los moldes perdidos de fundición destinados a recibir la colada deben poseer las siguientes cualidades :

1. Ser plásticos
2. Tener cohesión y resistencia , al objeto de poder reproducir y conservar la la reproducción del modelo .
3. Resistir la acción de las temperaturas elevadas , 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 fácilmente para permitir 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 , constituidas por granos de cuarzo (bióxido de silicio , muy refractario) y por arcilla (silicato hidratado de aluminio ) que es el elementode unión y confiere plasticidad y disgregabilidad al molde ; la estructura granular propia de la arena asegura la permeabilidad . Una primera clasificación de las arenas naturales 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. Arenas arcillosas o tierras semigrasas , cuyo contenido de arcilla va del 8 al 18%
3. Arenas arcillosas o tierras magras , cuyo contenido de arcilla va del 5 al 8%
4. Arenas silíceas , cuyo contenido de arcilla es inferior al 5%

Una segunda clasificación puede hacerse atendiendo a la forma del grano.

1. Arena de grano esferoidal .
2. Arena de grano angulado
3. Arena de grano compuesto

Finalmente en relación con las dimensiones del grano, pueden distinguirse :

1. Arena de grano grueso
2. Arena de grano medio
3. Arena de grano fino.

Las arenas de fundición tienen un origen común .La roca madre de la cuál se derivan es el granito , compuesto de feldespato , cuarzo y mica. El feldespato (silicato doble de aluminio y potasio o sodio) actúa de sustancia aglomerante de la mica y el cuarzo : bajo la acción tenaz y constante de los agentes atmosféricos se disocian los dos silicatos que componen al feldespato . El silicato de aluminio , al hidratarse se convierte en arcilla , mientras que los silicatos de potasio o de sodio (como tales , o transformados en carbonatos por la acción del anhídrido carbónico del aire ) son arrastrados por las aguas meteóricas . De este modo se han constituido los vastos depósitos de arenas naturales , las cuales , por otra parte presentan características diferentes según que el proceso de disgregación esté mas o menos avanzado (en este último caso existen residuos de feldespato , que es fusible y disminuye la refractariedad de la arena ) y que la disociación se haya realizado en el mismo lugar donde se encuentra la arena (arenas arcillosas naturales con porcentajes variables de arcilla ) o con acciones de transporte que forman depósitos distintos de arena silícea y de arcilla.

No siempre puede usarse la arena en la fundición tal como llega de los depósitos , sino que debe someterse a algunos procesos de modificación , que se efectuaran después de una serie de pruebas adecuadas para el estudio de sus características técnicas. .El conjuto de estas pruebas , lo mismo las destinadas a comprobar las características del material que llega de los depósitos , como los de la mezcla que servirá para el moldeo , constituye lo que se llama comprobación de la arena.

Los casos de modificación de las arenas se presentan cuando se procede a la mezcla de arenas de tipo diverso (sea para variar la distribución del grano , sea para rebajar o reforzar la arena ) o bien a la aglomeración del aglutinante. En el primer caso se trabajan arenas naturales y en el segundo arenas sintéticas o aglomeradas que se obtienen partiendo de arenas silíceas lo mas puras posibles a las cuales se añaden en diversos porcentajes , sustancias aglutinantes .

El uso de las arenas sintéticas se ha incrementado notablemente en el último decenio y su empleo creciente se justifica con las innegables ventajas que presentan con respecto a las arenas naturales . En primer lugar , posee unas características mas uniformes y , por otra parte , la arena base esta exenta de polvo impalpable , ya que el aglutinante se añade en cantidades previamente comprobadas a fin de reducir al máximo el límite de humidad y obtener no solo una refractariedad más elevada , sino también una mayor permeabilidad .

En cambio , el intervalo de humedad que permite la elaboración es mucho mas restringido en las arenas sintéticas que las naturales , se secan más rapidamente y ofrecen mas dificultades para el acabado y la separación de los moldes .

4. Hornos para fundir los metales

La fusión consiste en hacer pasar los metales y sus aleaciones del estado sólido al estado líquido , generando determinada cantidad de calor , bien definida y característica para cada metal o aleación .

Como se comprende fácilmente , después de que ha alcanzado la temperatura o punto de fusión es necesario aplicar mas calor para poder transformar el metal o la aleación de sólido a líquido . Durante este periodo la temperatura no aumenta y la cantidad de calor generada destinada solamente a disgregar el estado sólido , se llama calor latente de fusión . Sí cuando toda la masa es líquida , se continúa generando calor , la temperatura vuelve a aumentar y el metal se recalienta

La siguiente tabla indica los puntos de fusión , calores específicos medios y calores latentes de fusión de algunos de los metales y aleaciones más corrientes empleados en fundición. Consideremos tambien el hecho de que hay diversos tipos hornos para fundir los materiales , algunos de ellos podrian ser:

1. Hornos oscilantes y giratorios
2. Hornos electricos

• Hornos electricos de arco
• Hornos de arco directo monofásico
• Hornos de arco trifasicos
• Hornos de arco indirecto monofásico
• Hornos electricos de resistencia
• Hornos de resistencia no metalica
• Hornos de resistencia metalica
• Hornos electricos de inducción
• Hornos de inducción de baja frecuencia
• Hornos de inducción de alta frecuencia.

5. Bibliografía

Tecnología de la fundición Edoardo Capello Editorial Gustavo Gili S.A.

Autor:

Javier Rosas