Fundicion en Arena y Cera Perdida

PROCESOS INDUSTRIALES – Ing. Daniel Rodríguez Salvatierra

ÍNDICE:INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………………………………………………..........2

1. FUNDICIÓN EN ARENA 3

1.1 Definición 3

Arenas 3

Tipos de moldes de arena……………………………………………………………………………………………………….4

Modelos…………………………………………………………………………………………………………………………………7

Corazones……………………………………………………………………………………………………………………………….9

Máquinas para el moldeo de arena………………………………………………………………………………………10

La Práctica de Fundición en arena…………………………………………………………………………………………12

Hornos………………………………………………………………………………………………………………………………….14

1.2 Aplicaciones………………………………………………………………………………………………………………………..15

1.3 Justificaciones……………………………………………………………………………………………………………………..19

1.4 Tablas y Cálculos…………………………………………………………………………………………………………………21

2. FUNDICIÓN A LA CERA PERDIDA 23

2.1 Definición 23

Evolución Histórica 23

Descripción del proceso………………………………………………………………………………………………………..24

Moldes compactos……………………………………………………………………………………………………………….26

Moldes Tipo cáscara……………………………………………………………………………………………………………27

Métodos especiales……………………………………………………………………………………………………………..27

Estudio de los materiales cerámicos utilizados en el proceso……………………………………………….28

Estudio de las ceras………………………………………………………………………………………………………………28

2.2 Aplicaciones……………………………………………………………………………………………………………………….29

2.3 Justificación………………………………………………………………………………………………………………………..32

2.4 Tablas y Cálculos…………………………………………………………………………………………………………………33

TIPOS DE FUNDICIONES: EN ARENA Y CERA PERDIDA Página 1


IntroducciónLa fundición es el procedimiento más antiguo para dar forma a los metales. Fundamentalmente radica en fundir y colar metal líquido en un molde de la forma y tamaño deseado para que allí solidifique.

Generalmente este molde se hace en arena, consolidado por un apisonado manual o mecánico alrededor de un modelo, el cual se extrae antes de recibir el metal fundido. No hay limitaciones en el tamaño de las piezas que puedan colarse, variando desde pequeñas piezas de prótesis dental, con peso en gramos, hasta los grandes bastidores de máquinas de varias toneladas. Este método, es el más adaptable para dar

forma a los metales y muchas piezas que son imposibles de fabricar por otros procesos convencionales como la forja, laminación, soldadura, etc.

El primer acercamiento del hombre con metales en estado natural (oro, plata, cobre) se estima que ocurrió hace 4000—7000 años a.c Su verdadera acción como fundidor el hombre la inicio posteriormente, cuando fue capaz de fundir el cobre a partir del mineral.El desarrollo en la obtención de productos fundidos se manifestó tanto en Europa como en Asia y África. Los romanos explotaron yacimientos de hierro en Estiria (Australia) de donde obtenían el metal para sus armas, instrumentos de trabajo y de uso doméstico. Hoy en día los países desarrollados, al calor de la revolución científico-técnica contemporánea, acometen las tareas de mecanización y automatización, la implantación de nuevas tecnologías y el perfeccionamiento de las existentes.

El presente informe pretende dar una visión exhaustiva de lo que representa dos de los más importantes tipos de fundición: Fundición en Arena y Fundición en Cera pérdida, para esto nos enfocaremos en la definción, aplicación, justificación (elude el porque es recomendable el uso de ste tipo de función), tablas y cálculos (para normalizar y llevar un control de la fundición).



1. FUNDICIÓN EN ARENA

1.1 DEFINICIÓN:

El método tradicional de vaciado de metales es en moldes de arena y ha sido usado durante milenios. Explicado brevemente, la fundición en arena consiste en (a) colocar un modelo con la forma de la pieza deseada en arena para crear una impresión, (b) incorporar un sistema de alimentación, (c) llenar la cavidad resultante de metal fundido, (d) dejar que el metal se enfrié hasta que se solidifique, (e) romper el molde de arena y (f) retirar la fundición. Los pasos de producción correspondientes a una operación típica de fundición en arena aparece en la fig. 1.1

Figura 1.1: Pasos en la secuencia de producción de la fundición en arena. Incluyen las operaciones de fundición, manufactura del moldeo y del molde.

Aunque el origen de la fundición en arena se remonta a los tiempos lejanos, sigue siendo la forma más prevaleciente de fundición. Solo en los estados unidos se vacían aproximadamente 15 millones de toneladas de metal usado este método cada año.

ARENAS

La mayor parte de las operaciones de fundición en arena usan arena de sílice (SiO2), que es el producto de la desintegración de las rocas a lo largo de periodos de tiempo extremadamente largos. La arena es económica y adecuada como material de molde, debido a su resistencia a altas temperaturas. Existen dos tipos generales de arena: naturalmente unida (arena de banco) y sintética (arena de largo). En vista que su composición se puede controlar con mayor precisión, la mayor parte de las fundidoras prefieren la arena sintética.



Son importantes varios factores en la selección de la arena para los moldes. La arena con granos finos y redondos se puede prensar más y formar una superficie lisa en el molde. Aunque la arena de grano fino aumenta la resistencia del molde, los granos finos también reducen la permeabilidad del molde. Moldes y corazones con buena permeabilidad permiten la fácil salida de gases y vapores que se presentan durante la fundición.

El molde deberá tener buena colapsabilidad (para permitir que la pieza fundida se contraiga al enfriarse) a fin de evitar defectos en el colado, como grieta en caliente y agrietamientos. Por tanto, la selección de la arena incluye ciertos pros y contras con respectos a las propiedades. Comúnmente se acondiciona la arena antes de su uso.

Se utilizan máquinas de mezclar para integrar uniforme y completamente la arena con los aditivos. Para unir las partículas de arena, dándole resistencia, se utiliza la arcilla (bentonita) como aglutinante. A menudo se utilizan arena de zirconio (ZrSiO4), olivino (Mg2SiO4), y silicato de fierro (Fe2SiO4) en fundidoras de acero debido a su baja dilatación térmica. La cromita (FeCr2O4) se utiliza debido a sus elevadas características de transferencia térmica.

TIPOS DE MOLDES DE ARENA

Los moldes de arena se clasifican según los tipos de arena que los forman y los métodos utilizados para su producción. Existen tres tipos básicos de moldes de arena: arena verde, caja fría y moldes no cocidos.

La arena de moldeo que se utiliza para realizar los moldes, requiere una serie de cualidades:

Refractabilidad: Resistencia a altas temperaturas. Permeabilidad: Para permitir el escape de gases y vapores. Cohesión y Resistencia: Para reproducir y conservar la forma del modelo. Poder de disgregación: Para permitir la extracción de la pieza.

El material de moldes más común es la ARENA DE MOLDEO VERDE, que es una mezcla de arena, arcilla y agua. El término “verde” se refiere al hecho de que al vaciarse el metal en su interior, la arena en el molde esta húmeda o mojada. El molde con arena verde es el método más económico de fabricación de moldes. Los moldes de arena verde tienen suficiente resistencia en la mayoría de sus aplicaciones, así como buena permeabilidad y reutilización. Por consiguiente, son los más ampliamente usados, aunque también tiene sus desventajas: La humedad en la arena puede causar defectos en algunas fundiciones, dependiendo del metal y de la forma geométrica de la pieza.



En el método de PELICULA SECA o MOLDE DE ARENA SECA, se fabrica con aglomerantes orgánicos en lugar de arcilla. Las superficies del molde se secan, ya sea almacenando el molde al aire o secándolo con sopletes. Debido a su mayor resistencia, estos moldes generalmente se utilizan en fundiciones grandes.

Los moldes de arena también se secan en horno (horneados) antes de vaciar el metal fundido a temperaturas que fluctúan entre 204°C y 316°C; son más resistentes que los moldes de arena verde y le dan mejor precisión dimensional y acabado superficial a la colada. Sin embargo, este método tiene inconvenientes: es mayor la distorsión del molde; las fundiciones tienen mayor tendencia a sufrir grietas en caliente debido a la menor colapsabilidad del molde; y la tasa de producción es más lenta en razón del tiempo de secado requerido.

En el proceso de MOLDE DE CAJA FRIA, se mezclan varios aglutinantes orgánicos e inorgánicos en la arena para químicamente unir los granos para una mayor resistencia. Estos moldes son dimensionalmente más precisos que los moldes de arena verde, pero son más costosos.

En el proceso de MOLDE NO COCIDO, se mezcla una resina sintética liquida con la arena; la mezcla se endurece a la temperatura ambiente. Dado que la unión del molde en este proceso y en el de la caja fría ocurre sin calor, estos procesos se conocen como procesos de CURADO DE FRIO.

A continuación aparecen los componentes principales de los moldes de arena (fig. 1.2).

Figura 1.2: Ilustración esquemática de un molde de arena, mostrando varias características.



1. El molde mismo, que está soportado por una caja de moldeo. Los moldes de dos piezas están formados por moldes superior e inferior. La unión entre ambos es la línea de partición. Cuando se utilizan más de dos piezas, las adicionales se llaman cachetes.

2. Copa de vaciado o basín, en el cual se vacía el metal fundido.3. Un bebedero, a través del cual el metal fundido fluye hacia abajo.4. El sistema de alimentadores, que son canales que llevan el metal colado desde el

mazarota a la cavidad del molde. Los ataques son las entradas a la cavidad del molde.

5. Mazarotas, que suministran metal adicional a la fundición conforme ésta se contrae durante la solidificación. La figura 1.2 muestra dos tipos diferentes de mazarota, una mazarota ciega y una mazarota abierta (rebosadero).

6. Corazones, que son insertos hechos de arena. Se colocan en el molde para formar hoquedades o de alguna manera definir la superficie interior de la fundición. Los corazones también se utilizan en la parte exterior de la fundición para formar características, como letras sobre la superficie de la pieza fundida, o barrenos ciegos profundos.

7. Respiradores, que se colocan en los moldes para extraer los gases producidos cuando el metal fundido entra en contacto con la arena en el molde y en el corazón. También dejan salir el aire de la cavidad del molde conforme el metal fundido fluye dentro del mismo.

MODELOS:

Los modelos se utilizan para moldear la mezcla de arena a la forma de la fundición. Pueden estar hechos de madera, plástico o metal. La selección del material del modelo depende del tamaño y de la forma de la fundición, la precisión dimensional, la cantidad de coladas y el proceso de moldeo.

En vista que los modelos se usan de manera repetida para la fabricación de moldes, la resistencia y durabilidad del material seleccionado debe reflejar el número de coladas que el molde tiene que producir. A fin de reducir el desgaste en regiones críticas pueden ser fabricados de una combinación de materiales. Por lo general los modelos son recubiertos por un agente separador para facilitar su extracción de los moldes.

Los modelos se pueden diseñar con una diversidad de características que se adecuen a la aplicación y a los requerimientos económicos. Los modelos de una solo pieza o modelo



sólido, está hecho de una pieza, tiene la misma forma de la fundición y los ajustes en tamaño por contracción maquinado. Su manufactura es fácil, pero la complicación surge cuando se utiliza para hacer el molde de arena. Determinar la localización del plano de separación entre las dos mitades del molde e incorporar el sistema de vaciado y el vertedero de colada para un modelo sólido, puede ser un problema que se dejará al juicio y habilidad del operario del taller de fundición. Por tanto, los modelos sólidos se usan solamente en producciones de muy baja cantidad.

Figura 1.3: Momento de vaciado de metal para un modelo sólido.

Así también, tenemos los modelos divididos que constan de dos piezas que separan la pieza a lo largo de un plano, éste coincide con el plano de separación del molde. Los modelos divididos son apropiados para partes de forma compleja y cantidades moderadas de producción. El plano de separación del molde queda predeterminado por las dos mitades del molde, más que por el juicio del operador.

De igual manera, están el modelo con placa de acoplamiento, donde las dos piezas del modelo dividido se adhieren a los lados opuestos de una placa de madera o metal. Los agujeros de la placa permiten una alineación precisa entre la parte superior y el fondo del molde.

Figura 1.4: Un modelo de metal con placa de acoplamiento típico que se utiliza en fundición en arena.



Por último, tenemos el modelo con doble placa de acoplamiento, éstos, son similares a los patrones con una placa, excepto que las mitades del patrón divido se pegan a placas

separadas, de manera que las secciones de la parte superior e inferior del molde se puedan fabricar independientemente, en lugar de usar la misma herramienta para ambas.

Figura 1.5: Tipos de patrones utilizados en la fundición en arena: a) modelo sólido, b) modelo dividido, c) modelo con placa de acoplamiento y d) modelo de doble placa superior e inferior.

Un desarrollo reciente de importancia es la aplicación del prototipado rápido para la fabricación de moldes y modelos. En la fundición en arena, por ejemplo, se puede fabricar un modelo en una máquina de prototipado rápido y fijarse en una placa soporte en una fracción del tiempo y costos del maquinado de un modelo normal. Existen varias técnicas de prototipado rápido mediante las cuales estas herramientas se pueden producir con rapidez.

El diseño del modelo es un aspecto vital de la operación total de la fundición. El diseño debe prever la contracción del metal, la facilidad de extracción del molde de arena mediante ángulos de salida (fig. 1.6) y un flujo adecuado del metal en la cavidad del molde.

Figura 1.6: Ángulos de salida en los modelos para facilitar la extracción del molde de arena.



CORAZONES:

Para fundiciones con cavidades o pasajes internos, como los que se encuentran en un monoblock o en un cuerpo de válvulas automotrices, se utilizan corazones. Los corazones se colocan en la cavidad del molde antes de la colada para formar las superficies interiores de la misma y son extraídos de la pieza terminada durante la limpieza y el procesamiento posterior. Igual que los moldes, los corazones deben tener resistencia, permeabilidad, capaces de resistir el calor y colapsabilidad; por tanto, los corazones se fabrican de compuestos de arena.

Figura 1.7: Modelo de un monoblock que representa una fundición con pasajes y cavidades internas

El corazón se fija mediante plantillas de corazones. Éstas se generan por recesos que se agregan al modelo para soportar al corazón y proporcionar ventilaciones para el escape de los gases (fig. 1.8). Un problema común que tienen los corazones es que, para ciertos requerimientos de fundición, como el caso donde se requiere un receso, pueden carecer de suficiente soporte estructural en la cavidad. Para impedir que se muevan, se pueden utilizar soportes para anclar el corazón en su sitio (fig. 1.8).



Por lo general los corazones se fabrican de manera similar a los moldes: la mayor parte se hace utilizando procesos de moldes en cáscara, no cocidos o de caja fría. Los corazones se forman en cajas de corazones, que se utilizan de manera muy similar a los modelos para formar los moldes de arena. La arena se puede compactar en las cajas con apisonadores o soplada dentro de la caja mediante aire comprimido a través de sopladores de corazón. Esto último ofrece ventajas de lograr corazones uniformes y velocidades de producción muy altas.

Figura 1.8: Ejemplo de corazones de arena mostrando pistas para corazones y soportes para los mismo

MÁQUINAS PARA EL MOLDEO DE LA ARENA

El método más antiguo conocido de moldeo que se sigue utilizando para fundiciones simples, es compactar la arena presionándola con la mano (apisonamiento) o compactándola alrededor del modelo. Para la mayor parte de las operaciones, sin embargo, la mezcla de arena se compacta alrededor del modelo utilizando máquinas de moldeo (fig. 1.9). Estas máquinas eliminan horas de mano de obra, ofrecen fundiciones de alta calidad al mejorar la aplicación y distribución de las fuerzas, manipulan el molde de una manera cuidadosamente controlado e incrementan la velocidad de producción.



Figura 1.9: Varios diseños de cabezas de compresión para la fabricación de moldes: (a) cabeza plana convencional; (b) cabeza perfilada; (c) pistones para uniformar la compresión; y (d) diafragma flexible.

La mecanización del proceso de moldeo puede ser asistida por apisonamiento del conjunto. La caja de moldeo, la arena del molde y el modelo se colocan en primer término en una placa modelo montada en un yunque, y después es apisonada hacia arriba con presión de aire a intervalos rápidos. Las fuerzas de inercia compactan la arena alrededor del modelo. El apisonado produce la compactación más elevada en la línea de partición horizontal, en tanto que en la compactación por placa para la compresión (fig. 1.9) es más elevada en la zona cercana a dicha placa, por lo que se puede obtener una compactación más uniforme al combinar la compresión y el apisonado.

En el moldeo vertical sin caja, las mitades del modelo forman una pared de cámara vertical contra la cual se sopla y se compacta la arena (fig. 1.10). Luego, las mitades del molde se unen horizontalmente, con la línea de partición orientada verticalmente moviéndose a lo largo de un transportador de vaciado. Esta operación es simple y elimina la necesidad de manejar cajas de moldeo, permitiendo velocidades de producción muy elevadas, particularmente cuando ya están automatizados otros aspectos de la operación (como la colocación de corazones y el vaciado).

Figura 1.10: Moldeo vertical sin caja. (a) La arena se comprime entre las dos mitades del modelo. (b) Los moldes ensamblados son transportados a lo largo de una línea de ensamble para el vaciado.

Los lanzadores de arena llenan la caja de moldeo de manera uniforme con la arena en un chorro de alta presión. Se utilizan para llenar cajas de moldeo grandes y típicamente se operan mediante una máquina. Un impulsor en la máquina lanza arena desde sus aspas o tazones a velocidades tan altas que la máquina no sólo coloca la arena, sino que la compacta apropiadamente.

En el moldeo por impacto, la arena se compacta mediante una explosión controlada o mediante la liberación instantánea de gases comprimidos. Este método produce moldes de una resistencia uniforme y buena permeabilidad.



En el moldeo por vacío, también conocido como el proceso “V”, el modelo se cubre completamente con una hoja delgada de plástico. Se coloca un cajón de moldeo sobre el modelo recubierto y se llena con arena seca sin aglutinante. Se coloca entonces una segunda hoja de plástico sobre la arena, y una acción de vacío endurece la arena de manera que se puede retirar el modelo. De esta manera se hace cada mitad del molde, mismo que después se ensambla.

Durante el vaciado el molde se conserva en vacío, pero la cavidad de la fundición. Una vez solidificado el metal, se elimina el vacío y la arena cae, liberando la fundición. El moldeo por vacío produce coladas con detalle de alta calidad y precisión dimensional. Es especialmente adecuado para fundiciones grandes y relativamente planas.

LA PRÁCTICA DE FUNDICIÓN EN ARENA

Una vez formado el molde y los corazones colocados en su sitio, las dos mitades (moldes superior e inferior) se cierran, se sujetan y se les colocan pesos encima. Esto último se hace para impedir la separación de las secciones del molde debida a la presión ejercida cuando el metal fundido es vaciado en la cavidad del molde.

El diseño del sistema de alimentación es importante para una correcta alimentación del metal fundido a la cavidad del molde. Debe minimizarse la turbulencia, permitirse el escape de aire y de gases mediante respiraderos y establecerse y mantenerse los gradientes de temperatura apropiados, a fin de minimizar la contracción y porosidad. El diseño de las mazarotas es también importante a fin de suministrar el metal fundido necesario durante la solidificación de la fundición. La copa de vaciado también puede servir de mazarota. Una secuencia completa de las operaciones en la fundición en arena se muestra en la fig 1.11

Después de la solidificación, se sacude la pieza fundida sacándola de su molde, y por vibración (usando un vibrador) o mediante chorro de arena, se eliminan las capas de arena y óxido adheridas a la fundición. Las fundiciones de hierro también se limpian con chorro de granalla de acero (granallado) o arena. Las mazarotas y los sistemas de alimentación se cortan por corte con oxicombustible gas, sierra, cizallas y discos abrasivos, o son recortados en troqueles. Las mazarotas y los sistemas de alimentación en las fundiciones de acero también son eliminados utilizando pistolas de acero de carbono en aire o inyección de polvo. Las fundiciones se pueden limpiar por medios electroquímicos o por ataque químico, a fin de eliminar los óxidos superficiales.

Prácticamente todos los metales de uso comercial se pueden fundir en arena. El acabado superficial obtenido es principalmente función de los materiales utilizados en el molde. La precisión dimensional no es tan buena como la de otros procesos de fundición. Sin



embargo, con este proceso se pueden fundir formas complicadas, como los monoblocks de hierro fundido y hélices muy grandes para los trasatlánticos. La fundición en arena

FIGURA 1.11 Ilustrando esquemática de la secuencia de operaciones para la fundición en arena. Fuente Steel founder´s sixiety of America (a).Se utiliza un dibujo mecánico de la pieza para generar el diseño del modelo. Deben incorporarse en el dibujo consideraciones como contracción de la parte y ángulos de salida. (b-c).Los modelos han sido montados en placas equipadas con bujes de alineación. Nótese la presencia de plantillas para corazón diseñadas para sujetar el corazón en su sitio. (d-e). Las cajas de corazón producen mitades de corazón, mismas que se pegan. Los corazones se utilizaran para producir el área hueca de la pieza que se muestra en (a) La mitad del molde superior se ensambla fijando la placa del modelo del molde superior a la caja de moldeo utilizando bujes de alineación, y colocando insertos para formar la mazarota y el bebedero. (g). La caja de moldeo es compactada con arena y después se retiran la placa y los insertos.(h).La mitad inferior se produce de una manera similar, con el modelo insertado. Se coloca una placa inferior por debajo del molde inferior y se alinea con los bujes. (i).El modelo, la caja de moldeo y la placa inferior se invierten, y se retira el modelo, dejando la cavidad apropiada. (j).El corazón se coloca en su lugar dentro de la cavidad. (k). El molde completo se cierra al colocar el molde superior encima del interior y fijando el ensamble con pernos. La caja de moldeo se somete entonces a presión para contrarrestar las fuerzas de flotación en el líquido, que pudieran levantar el marco superior. (l). Una vez solidificado el metal, el colado es retirado del



molde. (m).El bebedero y los canales de alimentación son cortados y reciclados, y la fundición se limpia, inspecciona y se trata térmicamente (cuando es necesario).

puede ser económica para lotes de producción relativamente pequeños y los costos por concepto de equipo son por lo general bajos.

La superficie de las fundiciones es importante en las operaciones de maquinado subsecuentes, porque la maquinabilidad puede resultar adversamente afectada si las piezas no se limpian adecuadamente y queda partículas de arena. Si algunas regiones de la fundición no se han formado correctamente o se han formado de manera incompleta, se pueden reparar los defectos rellenándolos con soldadura adecuada. Las fundiciones en molde de arena generalmente tienen superficies ásperas y granuladas, dependiendo de la calidad de molde y de los materiales utilizados.

La pieza colada puede entonces tratarse térmicamente, a fin de mejorar ciertas propiedades necesarias para el uso de servicio pretendido, estos procesos son particularmente importantes para las fundiciones de acero. Las operaciones de acabado pueden incluir el enderezar a máquina, o el forjado con dados para obtener las dimensiones finales.

También las imperfecciones superficiales menores pueden llenarse con un epoxy cargado de metal, especialmente para fundiciones de hierro colado que son difíciles de soldar. La inspección es un paso final importante y se lleva a cabo para asegurar que la pieza fundida cumple con todos los requerimientos de diseño y control de calidad.

HORNOS:

Los hornos se cargan con materiales de fusión consistentes de metal, elementos de aleación y otros materiales como el fundente y formadores de escorias o escorificantes. La selección del horno depende de: consideraciones económicas, composición y punto de fusión de la aleación a fundir, control de la atmósfera del horno, capacidad y rapidez de fusión, consideraciones ecológicas, suministro de energía y disponibilidad. Los hornos de fusión comúnmente utilizados son:

Hornos de arco eléctrico: se utilizan ampliamente y presentan ventajas como rapidez de fusión, menor contaminación y capacidad de conservar el metal fundido para efectos de aleación.

Hornos de inducción: útiles en fundidores pequeñas de composición controlada.



Hornos de crisol: son calentados por medio de diversos combustibles (gas, petróleo combustible, electricidad) y permiten la fundición de muchos metales ferrosos y no ferrosos.

Hornos de Cubilote: son recipientes de acero verticales recubiertos de refractario cargados con capas alternadas de metal, coque y fundente. Permiten elevadas velocidades de fusión y cantidad de metal fundido.

Fusión por levitación: el metal a fundir es suspendido magnéticamente y mediante una bobina de inducción se funde y fluye hacia un molde colocado debajo de la bobina. Estas fundiciones están libres de inclusiones y tienen una estructura de grano fino uniforme.

1.2 APLICACIONES:

Como sabemos se pueden fundir casi todas las aleaciones, desde piezas muy pequeñas hasta muy grandes, a continuación se presentan algunas aplicaciones:

Figura 1.12: CUERPO DE VÁLVULA cuyo material es de acero inoxidable, muestra un diseño simple para su fundición en arena, es utilizado en cajas de velocidades automáticas y permite o bloquea el recorrido de fluidos, por lo que su fundición debe estar apto para corrosiones.



Figura 1.13: RUEDAS DE TURBINA cuyo material es de acero inoxidable, consiste en una rueda (rodete o rotor) dotada de cucharas en su periferia, las cuales están especialmente realizadas para convertir la energía de un chorro de fluido (aire o agua) que incide sobre las cucharas; por lo que su fundición final debe estar apto para sufrir grandes cambios de velocidad.

Figura 1.14: NUDO DE CELOSÍA representa un acero de construcción, es una estructura reticular de barras rectas interconectadas en nudos formando triángulos planos (en celosías planas) o pirámides tridimensionales (en celosías espaciales), usual en materia de estructuras y construcción. Su diseño, después de la fundición, debe ser capaz de soportar compresiones y tracciones.



Figura 1.15: HORQUILLA DE UNIÓN DE ARROSTRAMIENTO representa un acero de construcción, sirve para fijar varillas a un cuerpo fijo, es muy común en materia de construcción; su acabado final debe ser capaz de soportar diversas tensiones.

Figura 1.16: POLEA PARA GRÚA es una fundición gris, son extremadamente fuertes y se utilizan para levantar objetos pesados en grúas, a veces levantan muchas toneladas al mismo tiempo. Es por eso, que su fundición final debe ser muy resistente a tensiones y fricciones.



Figura 1.17: CUERPO DE COMPRESOR se trata de una fundición gris, es aquel recubrimiento de un equipo que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los vapores. Es por esto que su fundición final debe ser resistente a grandes presiones.

Figura 1.18: TAPA DE REGISTRO se trata de una fundición dúctil, es una pieza que cierra la parte superior de un objeto, recipiente, o también puede estar ubicado en paredes y pavimentos. Lo cual supone que debe ser resistente a corrosiones. Su acabado final muestra lo útil que es la fundición de arena en implante de letras y logos.



Figura 1.19: FUENTE se trata de una fundición dúctil, es una pieza que normalmente se ubica en calles y plazas específicas, ya que es una toma de agua diseñada para proporcionar un caudal considerable en caso de incendio. Su utilidad demanda que la fundición final sea resistente a corrosiones como oxidaciones; así también resistente a exposiciones larga de luz solar y calor.

1.3 JUSTIFICACIONES:

Algunas de las razones por las que es justificable el uso de la fundición en arena, se presentan a continuación:

Al ser un método tradicional, que se ha utilizado durante milenios; ha logrado que este tipo de fundición se halla perfeccionado a lo largo de los años, logrando solucionar algunos inconvenientes que se han presentado a lo largo del tiempo.

La arena es uno de los materiales más abundantes en la naturaleza, más aún, existen industrias que mediante un proceso logran obtener arena sintética, con lo cual se logra obtener mayor precisión durante el proceso.

Al ser la arena un material abundante, resulta económica la obtención de materia prima para el proceso

La ventaja de la utilización de arena es que permite (mediante aditivos y aglomerantes) mejorar las propiedades del molde en la que se realiza la fundición, de esta forma:

o Mediante la adición de cereales (2%) aumenta la permeabilidad (lo que permite la fácil salida de los gases y vapores que se presentan en la fundición) y colapsabilidad (que permite que la pieza fundida se contraiga al enfriarse).



o Mediante la adición de carbón mineral molido (8%) se mejora el acabado superficial de la pieza.

o Mediante la adición de aserrín de madera (2%) aumenta también la colapsabilidad y la permeabilidad.

o Mediante la adición de harina de sílice, también, se mejora el acabado superficial.

o Así también, con la adición de asfalto y Fe2O3 se mejora la resistencia al caliente.

o Mediante la adición de arcilla, se le confiere al molde condiciones de plasticidad y cohesión específicas.

o También se suelen utilizar arenas de zirconio (ZrSiO4), olivino (Mg2SiO4) y silicato de hierro (Fe2SiO4) debido a su baja dilatación térmica y la cromita (FeCr2O4) debido a sus elevadas características de transferencia térmica.

Mediante la fundición en arena, las piezas fundidas resultantes pueden tener formas complejas (para esto es recomendable usar modelos divididos).

Con ayuda de máquinas moldeadores (que trabajan la arena para formar los moldes), se pueden fabricar grandes series de producción, tanto para piezas pequeñas como horquillas, como piezas grandes como hélices de trasatlánticos.Así también, estas máquinas moldeadoras eliminan horas de mano de obra y ofrecen fundiciones de alta calidad al mejorar la aplicación y distribución de fuerzas, manipulan el molde una manera cuidadosamente controlada e incrementa la velocidad de producción.

Figura 1.20: Modelo de máquina moldeadora, capaz de otorgarle mayor eficiencia al proceso de fundición en arena

La fundición en arena puede ser económica para lotes de producción relativamente pequeños y los costos por concepto de equipo son por lo general bajos.

Este tipo de fundición representa la mayor parte del tonelaje total de fundición en el mundo, convirtiéndola en una de las fundiciones más utilizadas.

Casi todas las aleaciones pueden fundirse en arena, su versatilidad permite fundir partes muy pequeñas o muy grandes en cantidades de producción que van de una pieza a millones de estas.



Puede usarse para metales con altas temperaturas de fusión como son el acero, el níquel y el titanio.

1.4 TABLAS Y CÁLCULOS:

TABLA 1.A: Características de los materiales de los modelos, esta tabla muestra las diferentes características que pueden tener un modelo dependiendo del material del que esté compuesto, así la selección del material del modelo depende del tamaño y de la forma de la fundición, la precisión dimensional, la cantidad de coladas requeridas y el proceso de moldeo.

TABLA 1.B: Rugosidad superficial en la fundición y en otros procesos de conformado, esta tabla muestra las características de la fundición en arena y de otros procesos de fundición, el acabado superficial obtenido es principalmente función de los materiales utilizados en los moldes.



TABLA 1.C: Densidades de aleaciones seleccionadas para fundición. Esta tabla se debe tener en cuenta en el momento del diseño de la pieza, esto para analizar el volumen de dicha pieza y así evitar que malformaciones en el producto final.

TABLA 1.C: Densidades de aleaciones seleccionadas para fundición. Esta tabla muestra de manera más detallada la masa, capacidad, superficie y solidificación de las diferentes formas que puede tener las piezas. Se deben tener muy en cuenta en el diseño y durante el proceso de la fundición.

2. FUNDICIÓN A LA CERA PERDIDA



2.1 DEFINICIÓN:

El proceso llamado fundición a la cera perdida para la fabricación de piezas, tiene una antigüedad de miles de años. En su esencia básica, el proceso consiste en la fabricación de un modelo de cera u otro material fusible, luego se construye un molde alrededor de él, entonces se funde la cera dejando una cavidad que es una réplica exacta del modelo original.

EVOLUCIÓN HISTORICA:

El procedimiento de fundición a la cera perdida pertenece a las técnicas, de producción de piezas metálicas, más antiguas de la humanidad. Pueden observarse ejemplos en la misma naturaleza. Las pseudomorfosis, bien conocidas por los géologos, pueden considerarse en cierto sentido precedentes de este sistema de fundición. Un ejemplo de ello es el cuerpo del animal prehistórico aprisionado en la roca, como el pez de la figura 2.1, fue disolviéndose, y en el transcurso de millones de años los espacios vacios han sido ocupados con sustancias minerales.

Figura 2.1: Pez fosilizado, procedimiento de modelo perdido en la naturaleza.

Las piezas más antiguas que se conocen fundidas por este método provienen del Asia Menor y tienen unos 4000 años. Este método fue utilizado en Egipto y en China unos 1500 años más tarde. Tambien en Perú y Ecuador han sido desarrolladas piezas de esta índole. Un ejemplo de ello se da en la artesanía peruana en la que aparece la máscara que forma parte de las colecciones conocidas como tumis, procedentes de la cultura Chimú, Chavín e Inca.



En la edad media, por los años 1548-49 es descrita la fabricación de los modelos en cera y fusión de la estatua de Perseo realizada por Benvenuto Cellini. Otra obra

maestra desde el punto de vista de la técnica de construcción es la escultura ecuestre del Gran Elector, creada por Andreas Schlutdler hacia 1700, fue fundida en una sola pieza. Para la ejecución fueron necesarios 483 Kg. de cera.

Figura 2.2: Estatua ecuestre del Gran Elector

A principios del siglo XX la técnica dental comenzó a utilizar para sus fines las técnicas que venían utilizando los atistas y joyeros, mediante modelos de cera que se modelaban a partir de la dentadura del paciente se funden prótersis dentales, empastes y coronas. Las aleaciones más utilizadas son las de oro y de cobalto por su alta resistencia a la corrosión.

En la actualidad el método de la Cera Perdida sigue vigente, con una utilización creciente para resolver necesidades de fundición de precisión en aplicaciones diversas.

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO:

Como se resumió al principio, el proceso consiste en la creación de un modelo en cera de la pieza que se requiere, este modelo debe tener exactamente las características deseadas en la pieza a fabricar. El modelo de cera es revestido con yeso o un material cerámico que soporte el metal fundido. Luego el conjunto se introduce a un horno, con ello el material cerámico se endurece y el modelo de cera se derrite, obteniendo así el molde. En el molde fabricado se vacía el metal fundido y se obtiene la pieza deseada. Es un proceso de fundición capaz de hacer piezas de alta precisión e intrincados detalles, es por esto que se denomina fundición a la cera perdida, debido a que el modelo de cera se pierde en el molde antes de fundirse.



Los pasos en la fundición a cera perdida se describen en la figura 2.3. Como los modelos de cera se funden después que se hace el molde refractario, se debe fabricar un modelo para cada fundición. La producción de modelos se realiza mediante una operación de moldeo, que consiste en vaciar o inyectar cera caliente en un dado maestro, diseñado con las tolerancias apropiadas para la contracción de la cera y del metal de fundición. En los casos donde la forma de la pieza es complicada, se juntan varias piezas de cera para hacer el patrón. En operaciones de alta producción se pegan varios patrones a un bebedero de colada, hecho también de cera, para formar un modelo de árbol, ésta es la forma que tomará el metal fundido.

El recubrimiento con refractario (paso 3) se hace generalmente por inmersión del árbol patrón en un lodo de sílice u otro refractario de grano muy fino mezclado con yeso que sirve para unir el molde. El grano fino del material refractario provee una superficie lisa que captura los intrincados detalles del modelo de cera. El molde final (paso 4) se forma por inmersiones repetidas del árbol en el lodo refractario o por una compactación cuidadosa del refractario alrededor del árbol en un recipiente. El molde se deja secar al aire, aproximadamente ocho horas, para que endurezca el aglutinante.



Figura 2.3: Pasos en la fundición por cera perdida

El procedimiento más detallado se muestra en el diagrama a continuación:

Figura 2.4: Diagrama de flujo del procedimiento básico

MOLDES COMPACTOS

Una vez con la copia de cera en mano se realiza el sistema de alimentación, que consta de un bebedero o tronco, canales de alimentación o ramas y un cono; todo esto para constituir el sistema de alimentación que no es otra cosa que los conductos que van a cada una de las cavidades del molde. De aquí que se debe construir, también, un sistema para la extracción de gases del molde compacto.

Figura 2.5: Construcción de moldeo por moldes compactos.



Para la construcción del molde definitivo o cerámico se debe contar con la ayuda de una camisa en donde se coloca el modelo en cera, con el sistema de alimentación y evacuado; para luego verter la mezcla cerámica.

Existen procedimientos en la cual se mantienen las camisas durante el evacuado de la cera, mientras que en otras no. Durante el evacuado se puede recuperar un porcentaje de la cera según la disposicion del horno tipo mufla.

Una vez evacuado y curado del molde cerámico se vierte el metal fundido de la aleación escogida para el propósito.

MOLDES TIPO CÁSCARA

Así mismo la posibilidad construir el modelo por moldeo en cáscara que consiste en recubrir la pieza en cera con una capa cerámica de algunos milímetros de espesor. Esto se consigue sumergiendo repetidas veces la pieza en una papilla de material de moldeo con aglomerante o bien pulverizando dichas papillas en varias capas, cada una de las cuales tienen determinada composición así como granulometría.

Los moldes en cáscara son apropiados sobre todo para piezas relativamente grandes y de formas engorrosas, por ser mucho más ligeros que los moldes compactos. Proporcionan simplificación del proceso de moldeo al ocupar menos material y por consiguiente ahorro en tiempos de tránsito en el taller, como disminución de energía y de espacio.

Los inconvenientes del moldeo en cáscara respecto al moldeo clásico son: el rendimiento algo menor de la fusión, a causa del bebedero, más grande. La facilidad de fisuración de la cáscara y los costos elevados de los materiales.

MÉTODOS ESPECIALES

Además de la cera es también utilizado para la fabricación de los modelos otros materiales fusibles como los termoplásticos. Los modelos de polímero tienen la ventaja de tener mayor resistencia y estabilidad de forma. Pueden ser almacenadas con facilidad, lo que permitiría la obtención de series, lo que imploca fundir grandes series de modelos de manera económica. En general, la producción de modelos puede ser más rápida y realizarse con mayor automatización que al utilizar cera. Al ser las temperaturas de



conformado del modelo fusible mayoe se ve la necesidad de preveer funciones distintas de los moldes distintas de los moldes en los cuales se obtienen los modelos fusibles.

Una desventaja que presentan los polímeros frente a la cera es la imposibilidad de utilizar matrices sencillas de obtener.

ESTUDIO DE LOS MATERIALES CERÁMICOS UTILIZADOS EN EL PROCESO

Dentro de los materiales ceramicos se pueden distinguir lo que son utilizados en la función con moldes compactos o en bloques y moldes tipo cáscara.

CERAMICOS PARA MOLES COMPACTOS

En primera instancia los materiales cerámicos se comprenden como aquellos elementos que se fabrican a partir de sustancias orgánicas, primero moldeados y despues cocidos. Antiguamente se los veía como todos aquellos artículos fabricados a partir de arcilla. En el siglo anterior se encontró los métodos para producir cerámicas a partir de un cierto número de sustancias físicas y quimicamente diferentes.

Composición de las pastas cerámicas

SÍLICE (Cuarzo) ARCILLA (Bentonita, Carbonato de calcio, feldespato, talco, etc) ALÚMINA CEMENTOS YESO

CERAMICOS PARA MOLES TIPO CÁSCARA

Composición de los moldes cerámicos

ÓXIDO DE CIRCONIO SÍLICE COLOIDAL SILICATO DE ETILO SILICATO DE SODIO MALOQUITA

ESTUDIO DE LAS CERAS

Para la construcción del modelo en cera debe cumplir algunos requisitos para poder trabajar con él. En primer lugar la cera debe ser segura para manejarse como un sólido, no debe dar lugar a humos nocivos al ser fundida o quemada cuando se evacua el molde, debe tener bajo contenido de cenizas. Al trabajar con soluciones cerámicas o



suspensiones que contienen partículas de refractarios, debe ser resistente a solventes orgánicos o álcali que pueden estar presente en las mezclas cerámicas. Además, la mezcla de las ceras, deben presentar una alta soldabilidad.

El acabado superficil del modelo de cera debe ser bueno para que se logre una fiel reproducción en el molde cerámico. Cuando se usa una mezcla de ceras para modelos, los materiales deben ser compatibles, es decir, se deben disolver entre sí a tal punto en el que no ocurrirá la separación de los componentes cuando la mezcla sea mantenida dentro de un determinado límite de temperatura.

CERAS:

Cuando se habla de ceras se entiende todos aquellos materiales de tipo céreo que se presentan en la naturaleza, además de los materiales sintéticos de tipo ceroso, las cuales poseen características de repeler el agua, ser moldeables, entre otras.

Si se basan en las propiedades químicas de las ceras además se pueden diferenciar las grasas, por su dureza, fragilidad y baja untuosidad.

Los constituyentes principales de las ceras son ácidos, alcoholes, ésteres e hidrocarburos saturados, todos estos de alto peso molecualar.

Existen ceras minerales, vegetales y animales; se presenta una información detallada en la tabla 2.D

2.2 APLICACIONES:

Algunos ejemplos de partes fundidas por este proceso son: partes complejas de maquinaria, paletas y otros componentes para motores de turbina, así como joyería y accesorios dentales. En la figura 2.6 se muestra una pieza que ilustra las características intrincadas que son posibles con la fundición a la cera perdida.



Figura 2.6 Rodete Francis fundida a la cera perdida

JOYERÍA:

Figura 2.7: Anillos de acero inoxidable

Figura 2.8: Pendientes y collares de bronce y oro

ESCULTURAS Y CERÁMICOS:

Figura 2.9: Esculturas de bronce de formas muy curveadas.



Figura 2.10: Modelo de cerámico de una manzana, previo proceso para el vaciado del metal fundido.

UNIONES, PIEZAS DE CAÑERIAS, PARA AUTOMOVILES Y OTRAS MÁQUINAS

Figura 2.11: Uniones y válvulas de máquinas.

Figura 2.12: Impulsor de acero inoxidable



2.3 JUSTIFICACIÓN:

El proceso de fundición a la cera perdida (FCP) frente a los demás métodos de fundición, posibilita piezas de formas muy intrincadas. Generalmente tampoco es necesario disponer de hoyos para la obtención de aberturas o cavidades. Esto confiere a esta técnica las siguientes características, que justifican su uso:

Máxima libertad en la configuración de la piezas: Lo que abre posibilidades a la ejecución de formas complejas, esto lo hemos podido observar en la creación de cerámicos de formas delicadas.

Gran exactitud en comparación a los demás métodos de fundición: La pieza clave de esta ventaja es la cera, esta sustancia permite copiar exactamente al molde, y lograr lo que otras fundiciones dificilmente pueden hacer.

Supresión de las rebabas a lo largo de las juntas de separación entre moldes, propia de otros procedimientos: En el procedimiento de la cera perdida se logra ahorra más metal de fundición a diferencia de otros procedimientos (como la fundición en arena) que mediante sus moldes divididos desperdician parte del metal fundido.

Con la ayuda de la Fundición a cera perdida es posible no solamente producir gran número de piezas pequeñas y complicadas con un coste menor, sino también fabricar piezas que antes parecían técnicamente imposibles, así como fundir piezas enteras que debían estar formadas de varias partes.

Posibilidad de aplicación de casi todas las aleaciones técnicamente logrables por fundición: Este procedimiento no tiene problemas con cualquier tipo de aleación, a diferencia de otros tipos de fundiciones cuyo material no resiste algunas combinaciones de metales. Pueden fundirse todos los tipos de metales, incluyendo aceros, aceros inoxidables y otras aleaciones de alta temperatura.

Estrecho control dimensional con posibles tolerancias de ±0.076 mm. Buen acabado superficial, logrado por la capacidad de la cera de captar

exactamente igual la forma de los moldes, aunque cabe recalcar el uso de equipos de acabado, para los retoques finales a las piezas.

Recuperación de la cera para reutilizar, lo que permite un mayor ahorro en cuestión de materia prima.

Por lo general no se requiere maquinado adicional, salvo en los acabados, cuyo uso de máquinas es obligatorio en casi todos los tipos de fundición.



Este es un proceso de forma neta, aunque relativamente costoso por la cantidad de pasos que involucra su operación. Las partes hechas por este método son normalmente de tamaño pequeño, aunque se han fundido satisfactoriamente partes de formas complejas de hasta 34 Kg.

2.4 TABLAS Y CÁLCULOS

TABLA 2.A: Propiedades del cuarzo o sílice, la tabla muestra las propiedades de uno de los componente más importantes para el conformado del cerámico para moldes compactos.

TABLA 2.B: Propiedades de la sílice coloidal, la tabla muestra las propiedades de uno de los componentes más importantes para el conformado del cerámico para moldes tipo cáscara.

TABLA 2.C: Propiedades de la cera, la tabla muestra las propiedades de las



principales ceras que se utilizan en este tipo de fundición, una propiedad a tener en cuenta son las temperaturas de fusión.

TABLA 2.D: Clasificación de las ceras, muestra una clasificación amplia de cera de acuerdo a su procedencia.



A continuación se presentan las siguientes propuestas de mezclas de cerámicos, esto, con el objetivo de analizar cada una de ellas y optar por la propuesta adecuada.

Luego de pruebas de ensayo en laboratorio se pueden lograr los siguientes resultados:

TABLA 2.C: Propiedades de la cera, la tabla muestra las propiedades de las principales ceras que se utilizan en este tipo de fundición, una propiedad a tener en cuenta son las temperaturas de fusión.


Fundicion en Arena y Cera Perdida

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