Fundición de metales

FUNDICIÓN DE METALES

Los procesos de fundición se dividen en dos categorías, con base en el tipo de molde: 1) moldes desechables y 2) moldes permanentes. En las operaciones de fundición con un molde desechable, debe sacrificarse éste con objeto de retirar la pieza fundida. Como para cada fundido se requiere un molde nuevo, es frecuente que las tasas de producción con procesos de moldes desechables estén limitadas por el tiempo que se requiere para hacer el molde, más que por el que se necesita para el fundido en sí. Sin embargo, para ciertas formas de las piezas, los moldes de arena pueden producirse y hacerse los fundidos a tasas de 400 piezas por hora y aún más. En los procesos de fundición con moldes permanentes, se fabrica el molde con metal (u otro material duradero) y se emplea muchas veces para elaborar fundidos numerosos. En consecuencia, estos procesos tienen una ventaja natural en términos de tasas de producción.

FUNDICIÓN EN ARENA

La fundición con arena es, por mucho, el proceso que se usa con más amplitud, pues es responsable de la mayoría del total del peso de los fundidos. Casi todas las aleaciones de fundición pueden fundirse con arena; de hecho, es uno de los pocos procesos que pueden usarse para metales con temperaturas de fusión elevadas, tales como aceros, níqueles y titanios. Su versatilidad permite la fundición de piezas cuyo tamaño varía de pequeño a muy grande (véase la figura 1) y en cantidades de producción que van desde uno a millones.

FIGURA 1 Pieza grande fundida con arena, pesa más de 680 kg (1 500 lb), para la estructura de un compresor de aire. (Cortesía de Elkhart Foundry, fotografía por Paragon Inc., Elkhart, Indiana).

La fundición en arena, también conocida como fundición en molde de arena, consiste en verter metal derretido en un molde de arena y dejar que se solidifique, para luego romper el molde y retirar el fundido. El fundido debe limpiarse e inspeccionarse, y a veces se requiere darle tratamiento térmico a fin de mejorar sus propiedades metalúrgicas. La cavidad del molde de arena se forma por la compresión de arena alrededor de un modelo (un duplicado aproximado de la pieza por fundir), y luego se retira el modelo separando el molde en dos mitades. El molde también contiene el sistema de paso o sistema de vaciado y la mazarota. Además, si el fundido va a tener superficies interiores (por ejemplo, partes huecas o con agujeros), debe incluirse un núcleo en el molde. Como éste se sacrifica para retirar el fundido, debe hacerse un molde nuevo por cada pieza que se produce. De esta descripción breve, se considera que la fundición con arena no sólo es la operación de fundido en sí, sino también la fabricación del modelo y la fabricación del molde. La secuencia de producción se presenta en la figura 2.

FIGURA 2 Secuencia de las etapas de la producción en la fundición con arena. Se incluye no sólo la operación de fundición sino también la fabricación del modelo y la fabricación del molde.

En las secciones siguientes el estudio tiene que ver con: modelos, núcleos, moldes y su fabricación, la operación de fundido, y limpieza e inspección.

Modelos y núcleos

La fundición con arena requiere un modelo, es decir, un “patrón” de tamaño real de la pieza, aunque más grande para que se tome en cuenta las tolerancias por contracción y maquinado en el fundido final. Los materiales que se usan para fabricar modelos incluyen madera, plásticos y metales. La madera es un material común para hacer modelos debido a la facilidad para darle forma. Sus desventajas son que tiende a deformarse y la arena que se compacta alrededor de ella la erosiona, lo que limita el número de veces que puede volver a utilizarse. Los modelos de metal son más caros, pero duran mucho más. Los plásticos representan un acomodo entre la madera y el metal. La selección del material apropiado para el modelo depende mucho de la cantidad total de fundidos por hacer. Como se ilustra en la figura 3, hay varios tipos de modelos.

El más simple está hecho de una sola pieza y recibe el nombre de modelo sólido, tiene la misma forma que el fundido y su tamaño está ajustado para la contracción y el maquinado. Aunque es el modelo más fácil de fabricar, no es el más fácil de usar para hacer moldes de arena. La determinación de la ubicación de la línea de separación de las dos mitades del molde de un modelo sólido puede ser un problema, y la incorporación del sistema de paso y la mazarota al molde queda a juicio y habilidad del trabajador que funde. En consecuencia, los modelos sólidos se limitan por lo general a cantidades muy bajas de producción.

Los modelos deslizantes consisten en dos piezas, que dividen la parte a lo largo de un plano que coincide con la línea divisoria del molde. Los modelos deslizantes son apropiados para piezas con configuraciones geométricas complejas y cantidades moderadas de producción. La línea de división del molde está predeterminada por las dos mitades del modelo, y no se  deja al criterio del operador.

Para cantidades de producción mayores se emplean modelos de placas ajustadas o de capucha y base. En los modelos de placas ajustadas, las dos piezas del modelo deslizante están sujetas a los lados opuestos de una placa de madera o metal. Los agujeros en la placa permiten que los marcos superior e inferior (capucha y base) del molde se alineen en forma adecuada. Los modelos de capucha y base son similares a los de placas ajustadas, excepto porque las mitades que se separan están ajustadas a placas diferentes, de modo que las secciones de la capucha y base del molde se fabrican de manera independiente en lugar de usar las mismas herramientas para ambas. En el inciso de la figura se muestra el sistema de paso y mazarota de los modelos de capucha y base.

FIGURA 3 Tipos de modelos que se emplean en la fundición con moldes de arena: a) sólido, b) de deslizamiento, c) de placas ajustadas y d) de capucha y base.

Los modelos definen la forma externa del vertido de la pieza por fundir. Si el fundido va a tener superficies internas se requiere un núcleo. Un núcleo (corazón) es un modelo a tamaño real de las superficies interiores de la pieza. Se inserta en la cavidad del molde antes del vertido, de modo que el metal derretido fluirá y se solidificará entre la cavidad del molde y el núcleo, para formar las superficies externa e interna del fundido. Por lo general, el núcleo está hecho de arena, compactada para que tenga la forma que se desea.

Igual que el modelo, el tamaño real del núcleo debe incluir tolerancias para la contracción y el maquinado. En función de la forma de la pieza, el núcleo quizá requiera soportes para quedar en posición en la cavidad del molde durante el vertido. Estos soportes, llamados coronas, están hechos de un metal con temperatura de fusión más alta que la del metal que se va a fundir. Por ejemplo, para hacer fundidos de hierro se usarían coronas de acero. En el vertido y solidificación, las coronas se unen en el fundido. En la figura 4 se ilustra un arreglo posible de un núcleo en un molde con coronas. La parte de la corona que sobresale del fundido se corta posteriormente.

FIGURA 4 a) Núcleo mantenido en su sitio dentro de la cavidad del molde por medio de coronas, b) diseño posible de las coronas, c) fundido con cavidad interna.

Moldes y su fabricación

Las arenas de fundición son sílice (SiO2) o sílice mezclado con otros minerales. La arena debe tener buenas propiedades refractarias, es decir, capacidad de soportar temperaturas altas sin que se funda o sufra algún otro tipo de degradación. Otras características importantes de la arena son el tamaño del grano, su distribución en la mezcla y la forma de los granos individuales. Los granos pequeños dan una mejor superficie al terminado de la pieza fundida, pero los de tamaño grande son más permeables (para permitir el escape de los gases durante el vertido). Los moldes elaborados con granos irregulares tienden a ser más fuertes que los hechos con granos redondeados debido a la imbricación, aunque ésta tiende a restringir la permeabilidad.

Al hacer el molde, los granos de arena se mantienen unidos por una mezcla de agua y arcilla adhesiva. Una mezcla común (en volumen) es de 90% de arena, 3% de agua y 7% de arcilla. Para mantener a la arcilla en su sitio se emplean distintos agentes adhesivos, como resinas orgánicas (por ejemplo, resinas fenólicas) y aglutinantes inorgánicos (por ejemplo, silicato de sodio y fosfato). Además de la arena y el aglutinante, en ocasiones se agregan aditivos a la mezcla a fin de mejorar propiedades tales como la resistencia o la permeabilidad del molde.

Para formar la cavidad del molde, el método tradicional consiste en compactar la arena alrededor del modelo para la capucha y base, en un contenedor llamado caja de moldeo. El proceso de compactación se lleva a cabo con métodos diferentes. El más simple es golpear con la mano, lo que lleva a cabo un trabajador de la fundición. Además, se han inventado diversas máquinas para mecanizar el procedimiento de compactación. Éstas operan con distintos mecanismos, entre ellos: 1) comprimir la arena alrededor del modelo por medio de presión neumática, 2) ejecutar una acción de golpeteo en la que la arena, contenida en la caja de moldeo con el modelo, se deja caer repetidas veces a fin de que se comprima en su sitio y 3) realizar una acción de lanzamiento en la que los granos de arena chocan a gran velocidad contra el modelo.

Una alternativa a las cajas tradicionales para cada molde de arena es el moldeo sin caja de moldeo, que se refiere al uso de una caja de moldeo maestra, en un sistema mecanizado de producción de moldes. Cada molde de arena se produce por medio de la misma caja de moldeo maestra. Con este método se afirma que la producción de moldes alcanza los 600 por hora.

Para determinar la calidad del molde de arena se emplean diferentes indicadores:

1    1) resistencia, capacidad del molde para conservar su forma y resistir la erosión ocasionada por el flujo de un metal fundido; depende de la forma del grano, cualidades adhesivas del aglutinante, y otros factores; 2) permeabilidad, capacidad del molde para permitir que pasen el aire y los gases calientes a través de los vacíos de la arena, durante la operación de fundido; 3) estabilidad térmica, característica de la arena en su superficie de la cavidad del molde para resistir el agrietamiento y la deformación ante el contacto con el metal fundido; 4) colapsabilidad, facilidad de que el molde se retire y permita que el fundido se contraiga sin que se agriete; también se refiere a la facilidad con que se quita la arena del fundido durante su limpieza, y 5) reutilización, ¿es posible reutilizar la arena del molde roto para hacer otros moldes? En ocasiones, estas medidas son incompatibles: por ejemplo, un molde con mucha resistencia es menos colapsable.

2   Con frecuencia, los moldes de arena se clasifican como de arena verde, arena seca o de superficie seca. Los moldes de arena verde están elaborados con una mezcla de arena, arcilla y agua; la palabra verde se refiere al hecho de que el molde contiene humedad en el momento del vertido. Los moldes de arena verde tienen resistencia suficiente para la mayoría de aplicaciones, buenas colapsabilidad, permeabilidad y posibilidades de reuso, y son los menos caros de todos los moldes. Son el tipo de molde que más se emplea, pero no carecen de problemas. La humedad de la arena ocasiona defectos a ciertos fundidos, lo que depende del metal y forma de la pieza. Un molde de arena seca está hecho con aglutinantes orgánicos en lugar de arcilla, y se cuece en un horno grande a temperaturas que van de 200ºC a 320ºC (400ºF a 600ºF). El horneado da resistencia al molde y endurece la superficie de la cavidad. Los moldes de arena seca proporcionan mejor control dimensional del producto fundido, en comparación con los de arena verde. Sin embargo, es más caro hacer moldes de arena seca, y la tasa de producción disminuye debido al tiempo de secado. Las aplicaciones se limitan por lo general a fundidos medios y grandes con tasas de producción pequeñas o medianas. Con un molde de superficie seca, se obtienen las ventajas de los de arena seca secando la superficie de un molde de arena verde hasta una profundidad de 10 a 25 mm (0.4 a 1 in) de la cavidad del molde, mediante sopletes, lámparas de calor u otros medios. Para dar resistencia a la superficie de la cavidad debe agregarse a la mezcla de arena materiales adhesivos especiales.

Las clasificaciones anteriores de los moldes se refieren al uso de aglutinantes convencionales que consisten en arcilla y agua o aquellos que requieren curado con calor. Además de estas clasificaciones, se han creado moldes aglutinados en forma química que no se basan en ninguno de los ingredientes de unión tradicionales. Algunos de los materiales aglutinantes que se emplean en estos sistemas “sin horno” incluyen resinas de furanos (que consisten en alcohol, urea y formaldehído), fenoles y aceites alquidálicos. Los moldes sin horno se usan cada vez más debido a su buen control dimensional y aplicaciones de alta producción.

La operación de fundición

Después de colocar en posición el núcleo (si lo hay) y de que las dos mitades del molde se hacen embonar, se procede a hacer la fundición. Ésta consiste en el vertido, solidificación y enfriamiento de la pieza fundida. El sistema de paso y la mazarota del molde deben diseñarse para llevar metal líquido a la cavidad y proporcionarle almacenamiento suficiente durante la contracción por solidificación. Debe permitirse que escapen el aire y los gases.

Uno de los peligros durante el vertido es que la flotación inducida por el metal fundido desplace al núcleo. La flotación resulta, según el principio de Arquímedes, del peso del metal fundido que desplaza el núcleo. Dicha fuerza tiende a elevar el núcleo y es igual al peso del líquido desplazado menos el peso del núcleo en sí. En forma de ecuación se expresa así:

donde Fb = fuerza de flotación, N (lb); Wm = peso del metal fundido desplazado, N (lb) y Wc = peso del núcleo, N (lb). Los pesos se determinan como el volumen del núcleo multiplicado por las densidades respectivas del material que lo constituye (arena, por lo común) y del metal por fundir. La densidad de un núcleo de arena es de aproximadamente 1.6 g/cm3 (0.058 lb/in3). En la tabla 1.1 se dan las densidades de varias aleaciones de fundición comunes.

La densidad depende de la composición de la aleación; los valores que se dan son los más comunes.

TABLA 1.1 Densidades de aleaciones de fundición seleccionadas

Moldeo en cascarón o concha

El moldeo en cascarón o concha es un proceso de fundición en el que el molde es un cascarón delgado (es común que mida 9 mm o 3/8 de in) hecho de arena y que se mantiene cohesionado por medio de un aglutinante de resina termofija. Se inventó en Alemania a principios de la década de 1940 y el proceso se describe e ilustra en la figura 5.

El proceso de moldeo en cascarón tiene muchas ventajas. La superficie de la cavidad de un molde en cascarón es más suave que la del molde convencional de arena verde, y esta suavidad permite un flujo más fácil durante el vertido del metal líquido y un acabado mejor de la superficie del fundido final. Es posible obtener acabados de 2.5 μm (100 μ-in). También se alcanza una exactitud dimensional buena, con tolerancias posibles de ±0.25 mm (±0.010 in) en piezas de tamaño pequeño a medio. Es frecuente que el acabado y exactitud buenos excluyan la necesidad de maquinado adicional. La colapsabilidad del molde por lo general es suficiente para evitar la rugosidad y agrietamiento del fundido.

Las desventajas del moldeo en cascarón incluyen un modelo de metal más caro que el correspondiente al moldeo con arena verde. Esto hace que el moldeo con concha sea difícil de justificar para cantidades pequeñas de piezas, pero puede mecanizarse para la producción masiva y es muy económico para cantidades grandes. Parece apropiado en especial para fundidos de acero de menos de 20 libras. Algunos ejemplos de piezas fabricadas con el empleo de moldeo con concha incluyen engranajes, cuerpos de válvulas, boquillas y árboles de levas.

FIGURA 5 Etapas del moldeo en cascarón: 1) se calienta una placa de ajuste o de capucha y base, y se coloca sobre una caja que contiene arena mezclada con alguna resina termofija; 2) se invierte la caja de modo que la arena y la resina caigan sobre el modelo caliente, lo que ocasiona que una capa de la mezcla se cure parcialmente sobre la superficie y forme una concha dura; 3) la caja vuelve a su posición original de modo que caigan las partículas sueltas que no resultaron curadas; 4) el cascarón de arena se calienta en un horno durante varios minutos, a fin de completar el curado; 5) el molde en cascarón se separa del modelo; 6) se ensamblan dos mitades del molde en cascarón, apoyadas en dosis de arena o metal en el interior de una caja; y se realiza el vertido. Se retira el fundido terminado, con el bebedero removido, como se aprecia en el 7) de la figura

Moldeo al vacío

El moldeo al vacío, también llamado proceso V, se inventó en Japón alrededor de 1970. Utiliza un molde de arena que se mantiene unido por medio de una presión de vacío en lugar de emplear un aglutinante químico. En consecuencia, el término vacío se refiere, en el contexto de este proceso, a la fabricación del molde en lugar de a la operación de fundido en sí. En la figura 6 se explican las etapas del proceso. Una de las varias ventajas del moldeo al vacío es la recuperación de arena, debido a que no se emplean aglutinantes. Asimismo, la arena no requiere el reacondicionamiento mecánico intenso que es normal hacer cuando se emplean aglutinantes para la arena. Como no se mezcla agua con la arena, el producto no tiene los defectos relacionados con la humedad. Las desventajas del proceso V son que es relativamente lento y que no se adapta con facilidad a la mecanización.

FIGURA 6 Etapas del moldeo al vacío: 1) Se precalienta una película delgada de plástico y se coloca sobre una placa de ensamble o modelo de capucha y base por medio de vacío; el modelo tiene agujeros de ventilación pequeños para facilitar la formación del vacío; 2) sobre la placa del modelo se coloca una caja de moldeo de diseño especial y se llena con arena, en la que se forma un bebedero y embudo de vertido; 3) sobre la caja de moldeo se pone otra película de plástico delgada y se induce un vacío que hace que los granos de arena permanezcan unidos, lo que forma un molde rígido; 4) el vacío sobre el modelo del molde se libera para permitir que éste salga del molde; 5) este molde se ensambla con su mitad correspondiente para formar la capucha y base, y manteniendo el vacío sobre ambas mitades se hace el vertido. La película de plástico se quema con rapidez al contacto del metal fundido. Después de la solidificación, se recupera casi toda la arena para volver a emplearla.

Procesos de poliestireno expandido

El proceso de fundición con poliestireno expandido usa un molde de arena compactada alrededor de un modelo de espuma de poliuretano que se vaporiza cuando el metal fundido se vierte en el molde. El proceso y sus variaciones se conocen también con otros nombres, tales como proceso de espuma perdida, proceso de patrón perdido, proceso de evaporación de espuma y proceso de molde lleno (este último es una marca registrada).

El modelo de poliestireno incluye la mazarota, vertedores y sistema de paso, y también contiene núcleos internos (de ser necesarios), lo que elimina la necesidad de contar con un núcleo por separado en el molde. Asimismo, dado que el modelo de espuma en sí se convierte en la cavidad en el molde, se puede ignorar otras consideraciones sobre las líneas

de separación y dibujo. El molde no tiene que estar abierto en las secciones de capucha y base. En la figura 7 se ilustra y describe la secuencia de este proceso de fundición. Se usan diferentes métodos para hacer el modelo, en función de la cantidad de fundidos por producir. Para fundidos de una sola clase, la espuma se corta en forma manual de rollos grandes y se ensambla para formar el modelo. Para corridas grandes de producción, se prepara una operación de moldeo automatizada para moldear los modelos antes de fabricar los moldes para la fundición. Normalmente, éste se recubre con un compuesto refractario que proporciona una superficie más suave sobre él y para mejorar su resistencia a la alta temperatura. Por lo general, los moldes de arena incluyen agentes de unión. Sin embargo, en ciertos procesos de este grupo se emplea arena seca, lo que ayuda al recubrimiento y reuso.

FIGURA 7 Proceso de fundición con poliestireno expandido: 1) el modelo de poliestireno se recubre con un compuesto refractario; 2) el modelo de espuma se coloca en la caja del molde, y alrededor de él se compacta arena; 3) se vierte metal fundido en la porción del patrón que constituye el embudo y el bebedero del vertido. Conforme el metal ingresa al molde, la espuma de poliestireno se vaporiza al contacto con el líquido, lo que permite que se llene la cavidad del molde.

Una ventaja significativa de este proceso es que el modelo no necesita retirarse del molde. Esto simplifica y agiliza la fabricación de éste. En un molde convencional de arena verde, se requiere de dos mitades con líneas de separación apropiadas, se debe proveer de tolerancias en el diseño del molde, los núcleos deben insertarse y debe agregarse el sistema de paso y mazarota. Con el proceso de poliestireno expandido, estas etapas se incluyen en el modelo mismo. La desventaja del proceso es que se necesita un modelo nuevo par cada fundición. La justificación económica del proceso de poliestireno expandido depende mucho del costo de producción de los modelos. El proceso de fundido con poliestireno expandido se ha aplicado para producir en masa fundiciones para motores de automóviles. A fin de moldear los modelos de espuma de poliestireno para estas aplicaciones, se instalan sistemas de producción automatizada.

Fundición por revestimiento

En la fundición por revestimiento, se elabora un modelo de cera y se recubre con un material refractario para formar el molde, después de lo cual se derrite la cera antes de verter el metal fundido. El término revestimiento proviene de una de las definiciones menos familiares de la palabra revestir, que es “cubrir por completo”, lo que se refiere al recubrimiento del material refractario alrededor del modelo de cera. Es un proceso de precisión para fundir, debido a que es capaz de generar fundidos de gran exactitud y detalles intrincados. El proceso se remonta al antiguo Egipto y también se le conoce como proceso de la cera perdida, debido a que el modelo de ese material se pierde en el molde antes de la fundición.

En la figura 8 se describen las etapas de la fundición por revestimiento. Como el modelo de cera se derrite después de hacer el molde refractario, debe elaborarse un modelo separado por cada fundido. La producción de modelos por lo general se lleva a cabo por medio de una operación de moldeo, vertiendo o inyectando la cera caliente en un troquel maestro diseñado con tolerancias apropiadas para permitir la contracción tanto de la cera como del fundido metálico subsecuente. En los casos en que la forma de la pieza es complicada, pueden unirse varias piezas separadas de cera para formar el modelo.

FIGURA 8 Etapas de la fundición por revestimiento: 1) se producen los modelos de cera; 2) se unen varios modelos a un bebedero para formar un árbol con ellos; 3) el árbol de modelos se recubre con una capa delgada de material refractario; 4) se forma el molde con el árbol recubierto con material refractario suficiente para volverlo rígido; 5) se mantiene el molde en posición invertida y se calienta para fundir la cera y permitir que salga de la cavidad; 6) el molde se precalienta a temperatura elevada, lo que garantiza que todos los contaminantes del molde se eliminen; eso también permite que el metal líquido fluya con más facilidad dentro de la cavidad detallada; se vierte el metal fundido; se solidifica; y 7) se rompe el molde del fundido terminado. Se separan las partes del bebedero.

En operaciones de producción grande, se unen varios modelos a un bebedero, también hecho de cera, para formar un árbol de modelos; ésta es la configuración geométrica que

se fundirá con el metal. El recubrimiento con material refractario (etapa 3) por lo general se lleva a cabo con la inmersión del árbol de modelos en una masa muy fina de sílice granular u otro refractario (casi en polvo) mezclado con la pasta para unir el molde a la forma. El grano pequeño del material refractario proporciona una superficie suave y captura los detalles intrincados del modelo de cera. El molde final (etapa 4) se lleva a cabo sumergiendo el árbol repetidas veces en la masa refractaria o compactando con suavidad el material refractario alrededor del árbol en un contenedor. Se deja secar el molde alrededor de ocho horas para endurecer el aglutinante.

Las ventajas de la fundición por revestimiento incluyen las siguientes: 1) es posible fundir piezas de gran complejidad y detalle, 2) se puede tener mucho control dimensional, tolerancias de ±0.075 mm (±0.003 in), 3) se tiene un acabado bueno de la superficie, 4) por lo general se puede recuperar la cera para volver a emplearla y 5) normalmente no se requiere maquinado adicional; éste es un proceso de forma neta. Debido a que en esta operación de fundido están involucradas muchas etapas, es un proceso relativamente caro. Lo normal es que las piezas elaboradas por medio de fundición por revestimiento sean pequeñas, aunque se ha llegado a fundir con éxito piezas con formas complejas que pesan hasta 75 libras. Todos los tipos de metales, incluidos aceros, aceros inoxidables y otras aleaciones de temperatura alta, son susceptibles de usarse en la fundición por revestimiento.  

Algunos ejemplos de piezas incluyen elementos complejos de maquinaria, aspas y otros componentes de motores de turbina, joyería y piezas dentales. En la figura 9 se ilustra una pieza que muestra las características intrincadas que son posibles con la fundición por revestimiento.

FIGURA 9 Estator de una pieza para un compresor, con 108 aletas aerodinámicas separadas, elaborado por medio de fundición por revestimiento (cortesía de Howmet Corp.)

Fundición con moldes de yeso y de cerámica

La fundición con molde de yeso es similar a aquella con arena, excepto que el molde está hecho de yeso de París (CaSO4–2H2O), en vez de arena. Con el yeso se mezclan aditivos tales como el talco y polvo de sílice para controlar la contracción y el tiempo de preparación, reducir el agrietamiento y aumentar la resistencia. Para hacer el molde, se vierte la mezcla de yeso y agua sobre un modelo de plástico o metal en un recipiente y se deja reposar.

Por lo general los modelos de madera son insatisfactorios debido al contacto largo con el agua del yeso. La consistencia del fluido permite que la mezcla de yeso fluya con facilidad alrededor del modelo y capture sus detalles y acabado de la superficie. Así, el producto que se funde en moldes de yeso es notable por tener dichos atributos. Una de las desventajas del proceso es la cura del molde de yeso, al menos en producción elevada. El molde debe permanecer en reposo alrededor de 20 minutos antes de que el modelo se desmonte. Después, el molde se hornea durante varias horas a fin de elimina la humedad. Aun con el horneo, no todo el contenido de humedad llega a eliminarse.

El dilema que enfrentan los fundidores es que la resistencia del molde se pierde cuando la pasta se deshidrata demasiado, por lo que el contenido de humedad ocasiona defectos en la fundición del producto. Debe llegarse a un balance entre estas alternativas indeseables. Otra desventaja con el molde de yeso es que no es permeable, lo que limita el escape de los gases de la cavidad del molde. Este problema se puede resolver de distintos modos:

      1) con la evacuación del aire de la cavidad del molde antes del vertido

     2) por medio del oreo de la masa de yeso antes de fabricar el molde, de modo que la pasta dura que resulte contenga vacíos dispersados finamente

    3) con el uso de una composición especial del molde y el tratamiento conocido como proceso de Antioquia. Éste consiste en usar 50% de arena mezclada con el yeso, calentar el molde en un autoclave (horno que utiliza vapor supercaliente y a presión) y después dejar que se seque. El molde que resulta tiene una permeabilidad considerablemente mayor que la de uno de yeso convencional.

Los moldes de yeso no resisten temperaturas tan altas como las de los moldes de arena. Por tanto, están limitados a la fundición de aleaciones con puntos de fusión bajos, como las de aluminio, magnesio y algunas con base de cobre. Las aplicaciones incluyen moldes de metal para moldear caucho y plástico, impulsores de turbinas y bombas, y otras piezas de forma relativamente intrincada. Los tamaños de los fundidos van de alrededor de 20 g (menos de 1 onza) a más de 100 kg (más de 200 libras). Las más comunes son las piezas que pesan 10 kg (20 libras), aproximadamente. Las ventajas de los moldes de yeso para estas aplicaciones son el buen terminado de la superficie, la exactitud dimensional y la capacidad de fabricar fundidos de sección transversal delgada.

El fundido con moldes cerámicos es similar al fundido con aquéllos de yeso, excepto que el molde se elabora con materiales cerámicos refractarios que resisten temperaturas más elevadas que los de yeso. Así, los moldes cerámicos se emplean para fundir aceros, hierro y otras aleaciones de alta temperatura. Sus aplicaciones (moldes y piezas relativamente intrincadas) son similares a las de las fundiciones hechas en moldes de yeso, excepto para la fundición de metales. Sus ventajas (exactitud y terminado buenos) también son parecidas.

PROCESOS DE FUNDICIÓN CON MOLDES PERMANENTES

La desventaja económica de cualquiera de los procesos con molde desechable es que se requiere uno nuevo para cada fundido. En la fundición con molde permanente, el molde se reutiliza muchas veces. En esta sección se trata la fundición con moldes permanentes como el proceso básico del grupo de procesos de fundido que emplean moldes de metal susceptibles de volver a emplearse; otros procesos del grupo son la fundición a troquel y la fundición centrífuga.

El proceso básico con moldes permanentes

La fundición con moldes permanentes usa un molde de metal construido con dos secciones diseñadas para tener facilidad de apertura y cierre. Es común que estos moldes estén hechos de acero o hierro fundido. La cavidad, con el sistema de paso incluido, se maquina en las dos mitades para proporcionar dimensiones exactas y buen acabado de la superficie. Los metales que es común fundir en moldes permanentes son aluminio, magnesio, aleaciones a base de cobre y hierro colado. Sin embargo, el hierro colado requiere una temperatura de vertido elevada, de 1 250ºC a 1 500 °C (2 300ºF a 2 700ºF), que tiene un efecto grande en la vida del molde. Las temperaturas de vertido muy altas del acero hacen que los moldes permanentes no sean apropiados para este metal, a menos que el molde se fabrique con material refractario.

Es posible usar núcleos en los moldes permanentes a fin de formar superficies internas en el producto fundido. Los núcleos están hechos de metal, pero su forma debe permitir la remoción del fundido o bien deben colapsarse en forma mecánica para lograr ese cometido. Si el retiro del núcleo de metal es difícil o imposible, hay que usar moldes de arena, caso en el que es frecuente referirse al proceso como fundición con molde semipermanente. En la figura 10 se describe el proceso básico de fundición con moldes permanentes. En la preparación del fundido, primero se precalienta el molde y se rocían uno o más recubrimientos sobre la cavidad. El precalentamiento facilita que el metal fluya a través del sistema de paso y hacia la cavidad. Los recubrimientos ayudan a disipar el calor y lubrican las superficies del molde para que sea más fácil la separación del producto fundido. Después del vertido, tan pronto como se solidifica el metal, se abre el molde y se retira el fundido. A diferencia de los moldes desechables, los permanentes no se colapsan, por lo que deben abrirse antes de que ocurra una contracción apreciable por el enfriamiento a fin de impedir la formación de grietas en el fundido.

FIGURA 10 Etapas del fundido con moldes permanentes: 1) se precalienta y recubre el molde, 2) se insertan los núcleos (si los hay) y se cierra el molde, 3) se vierte metal derretido en el molde y 4) se abre el molde. La pieza terminada se presenta en 5).

Las ventajas de la fundición con moldes permanentes incluyen buen acabado de la superficie y control dimensional estrecho, como ya se dijo. Además, la solidificación más rápida ocasionada por el molde metálico da como resultado una estructura de grano más fina, por lo que se producen fundidos más fuertes. El proceso se limita por lo general a metales con puntos de fusión bajos. Otras limitaciones son que las formas de las piezas son más sencillas, en comparación con las de la fundición con arena (debido a la necesidad de abrir el molde), y lo caro del molde. Debido a que el costo del molde es elevado, el proceso se adapta mejor a una producción elevada y se puede automatizar en consecuencia. Los productos comunes incluyen pistones de automóviles, cuerpos de bombas y ciertos fundidos para aeronaves y mísiles.

Variaciones de la fundición con moldes permanentes

Varios procesos de fundición son muy parecidos al método básico con molde permanente. Éstos incluyen la fundición con molde permanente en hueco, a baja presión y al vacío.

Fundición en hueco La fundición en hueco es un proceso con molde permanente en el que un fundido hueco se forma por medio de la inversión del molde después de la solidificación parcial de la superficie a fin de drenar el metal líquido del centro. La solidificación comienza en las paredes del molde porque están relativamente frías, y con el paso del tiempo avanza hacia la mitad del fundido El espesor del cascarón o concha se controla por el tiempo que se permite transcurra antes del drenado. La fundición en hueco se emplea para hacer estatuas, pedestales de lámparas y juguetes, con metales de punto de fusión bajo, tales como plomo, zinc y estaño. En esos artículos es importante la apariencia exterior, pero la resistencia y la forma interior del fundido son consideraciones menores.

Fundición a baja presión En el proceso básico de molde permanente y en la fundición en hueco, el flujo del metal hacia la cavidad del molde está ocasionado por la gravedad. En la fundición a baja presión el metal líquido se fuerza a pasar a la cavidad sujeto a baja presión, aproximadamente 0.1 MPa (15 lb/in2), desde abajo, de modo que el flujo es hacia arriba, como se ilustra en la figura 11. La ventaja de este enfoque sobre el vertido tradicional es que al molde se introduce metal derretido limpio desde el centro del recipiente, en vez de metal que ya se haya expuesto al aire. De ese modo se minimizan los defectos de porosidad por gas y oxidación, y mejoran las propiedades mecánicas.

FIGURA 11 Fundición a baja presión. El diagrama muestra el uso de la presión baja del aire para forzar al metal fundido en el recipiente a que pase a la cavidad del molde. La presión se mantiene hasta que el fundido se ha solidificado.

Fundición al vacío con molde permanente

La fundición al vacío con molde permanente (no confundir con el molde al vacío) es una variación de aquélla va baja presión, en la cual se emplea un vacío para impulsar el metal derretido hacia la cavidad del molde. La configuración general del proceso de fundición al vacío con molde permanente es similar a la de la operación de fundición a baja presión. La diferencia está en que se utiliza la presión reducida del aire desde el vacío del molde para llevar metal líquido hacia la cavidad, en lugar de forzarlo con presión positiva de aire desde abajo. Hay varios beneficios en la técnica de vacío, relacionados con la fundición a baja presión: se reduce la porosidad por aire y los defectos relacionados con ésta, y se da mayor resistencia al producto fundido.

Fundición con troquel

La fundición con troquel es un proceso de fundición con molde permanente en el que se inyecta a presión elevada metal fundido a la cavidad del molde. Las presiones comunes son de 7 a 350 MPa (1 000 a 50 000 lb/in2). La presión se mantiene durante la solidificación, después de la cual el molde se abre y se retira la pieza. Los moldes para esta operación de fundido reciben el nombre de troqueles, de donde deriva su nombre el proceso. La característica más notable que diferencia a este proceso de los demás de la categoría de moldes permanentes, es el uso de presión elevada para forzar el paso del metal a la cavidad del troquel.

Las operaciones de fundición con troquel se llevan a cabo en máquinas especiales. Éstas se diseñan para que las dos mitades del molde embonen y cierren con exactitud, y las mantengan cerradas mientras se fuerza al metal líquido a pasar a la cavidad. En la figura 12 se aprecia la configuración general. Hay dos tipos principales de máquinas para fundición con troquel: 1) cámara caliente y 2) cámara fría, que se diferencian en la manera en que el metal derretido se inyecta a la cavidad.

FIGURA 12 Configuración general de una máquina de fundición con troquel (cámara fría).

En las máquinas de cámara caliente el metal se derrite en un contenedor adosado a la máquina, y se emplea un pistón para inyectar metal líquido a alta presión hacia el troquel. Las presiones de inyección comunes son de 7 a 35 MPa (1 000 a 5 000 lb/in2). El ciclo de fundición se resume en la figura 13. No son raras tasas de producción de hasta 500 piezas por hora. La fundición con troquel de cámara caliente plantea un reto especial al sistema de inyección debido a que gran parte de éste se encuentra sumergido en el metal fundido. Por tanto, el proceso está limitado a aplicaciones con metales de punto bajo de fusión que no impongan ataque químico al pistón y otros componentes mecánicos. Los metales incluyen zinc, estaño, plomo y en ocasiones magnesio.

En las máquinas de fundición con troquel de cámara fría se vierte metal derretido hacia una cámara que no está caliente, desde un contenedor externo, y se emplea un pistón para inyectarlo a alta presión hacia la cavidad del troquel. Las presiones de inyección comunes que se usan en estas máquinas son de 14 a 140 MPa (2 000 a 20 000 lb/in2). En la figura 11.14 se explica el ciclo de producción. En comparación con las máquinas de cámara caliente, las tasas del ciclo por lo general no son tan rápidas debido a la necesidad de una cuchara de colada para vaciar el metal líquido desde una fuente externa hacia la cámara. No obstante, este proceso de fundición es una operación de producción elevada. Las máquinas de cámara fría se usan por lo común para fundir aleaciones de aluminio, latón y magnesio. Aleaciones con punto de fusión bajo (zinc, estaño, plomo) también pueden fundirse en máquinas de cámara fría, pero por lo general las ventajas del proceso con cámara caliente favorecen su uso sobre estos metales.

Generalmente, los moldes que se usan en operaciones de fundición con troquel están hechos de acero para herramientas, acero para moldes o acero al níquel con bajo contenido de carbono. También se emplean tungsteno y molibdeno con calidades refractarias buenas, en especial para fundir acero con troquel y hierro colado. Los troqueles pueden ser de una cavidad o varias. En las figuras 13 y 14 se ilustran troqueles de una sola cavidad.

FIGURA 13 Ciclo de la fundición con cámara caliente: 1) con troquel cerrado y pistón fuera, el metal derretido fluye a la cámara; 2) el pistón fuerza al metal a fluir hacia la cámara para que pase al troquel, manteniendo la presión durante el enfriamiento y solidificación; y 3) se retira el pistón, se abre el troquel y se expulsa la pieza solidificada. En el inciso 4 se ilustra el elemento terminado.

FIGURA 14 Ciclo de fundición con cámara fría: 1) con troquel cerrado y martinete retirado, el metal fundido se vierte a la cámara; 2) el martinete fuerza al metal a fluir en el troquel, manteniendo la presión durante el enfriamiento y solidificación; y 3) se retira el martinete, el troquel se abre y la pieza es expulsada. (El sistema de paso está simplificado).

Los pasadores eyectores se requieren para retirar la pieza del troquel cuando éste se abre, como se observa en los diagramas. Estos pasadores empujan la pieza hacia afuera de la superficie del molde de modo que pueda retirarse. También deben rociarse lubricantes en las cavidades, a fin de impedir que estén pegajosas.

Debido a que los materiales del troquel no tienen porosidad natural, y que el metal fundido fluye con rapidez hacia éste durante la inyección, deben hacerse agujeros de ventilación y vías de paso en los troqueles, en la línea de separación, para evacuar el aire y gases de la cavidad. Las ventilaciones son muy pequeñas; en realidad se llenan con metal durante la inyección. Este metal debe recortarse de la pieza más tarde. Asimismo, en la fundición con troquel es común la formación de una rebaba, que entra como metal líquido a presión alta al espacio pequeño entre las mitades del troquel, en la línea de separación o en los claros alrededor de los núcleos y los pasadores eyectores. Esta rebaba debe recortarse del fundido, junto con el bebedero y el sistema de paso.

Entre las ventajas de la fundición con troquel se incluyen las siguientes:

      1) son posibles tasas elevadas de producción

      2) es económica para cantidades grandes de producción

      3) se pueden tener tolerancias estrechas, del orden de ±0.076 mm (±0.003 in) para piezas pequeñas

      4) buen acabado de la superficie.

      5) son posibles las secciones delgadas, por debajo de 0.5 mm (0.020 in)

      6) el enfriamiento rápido proporciona un tamaño pequeño del grano y buena resistencia al fundido.

La limitación de este proceso, además de los metales por fundir, es la restricción de la forma. La configuración geométrica de la pieza debe permitir su retiro de la cavidad del troquel.

Fundición centrífuga

La fundición centrífuga se refiere a varios métodos de fundición en los que el molde gira a gran velocidad de modo que la fuerza centrífuga distribuye el metal derretido a las regiones externas de la cavidad del troquel. El grupo incluye 1) fundición centrífuga real, 2) fundición semicentrífuga y 3) fundición centrífugada.

FIGURA 15 Arreglo para la fundición centrífuga real.

Fundición centrífuga real En la fundición centrífuga real, se vierte metal fundido a un molde rotatorio para producir una pieza tubular. Algunos ejemplos de las piezas que se fabrican con este proceso incluyen tuberías, tubos, boquillas y anillos. En la figura 15 se ilustra un arreglo posible. Se vierte metal derretido por un extremo del molde horizontal rotatorio. En algunas operaciones, la rotación del molde comienza después del vertido y no antes. La gran velocidad de rotación ocasiona que las fuerzas centrífugas hagan que el metal adopte la forma de la cavidad del molde. Así, la forma exterior del fundido puede ser redonda, octagonal, hexagonal, etcétera. Sin embargo, la forma interior del fundido es (en teoría) perfectamente circular, debido a las fuerzas con simetría radial que actúan.

La orientación del eje de rotación del molde es horizontal o vertical, y el más común es el primero. A continuación se estudiará cuán rápido debe girar el molde en una fundición centrífuga horizontal, a fin de que el proceso tenga éxito. La fuerza centrífuga está definida por la siguiente ecuación de física:

donde F = fuerza, N (lb); m = masa, kg (lbm); v = velocidad, m/s (ft/s); y R = radio interior del molde, m (ft). La fuerza de gravedad es su peso, W = mg, donde W se expresa en kg (lb), y g = aceleración de la gravedad, 9.8 m/s2 (32.2 ft/s2). El llamado factor G, GF, es la razón de la fuerza centrífuga dividida entre el peso:

La velocidad, v, se expresa como 2πRN/60 = πRN/30, donde N = velocidad rotacional, rev/min. Al sustituir esta expresión en la ecuación (11.3), se obtiene

Al reacomodar ésta a fin de resolverla para la velocidad rotatoria, N, y con el uso del diámetro, D, en vez del radio en la ecuación resultante, se tiene:

donde D es el diámetro interior del molde, m (ft). Si el factor G es demasiado pequeño en la fundición centrífuga, el metal líquido no se verá forzado a permanecer contra la pared del molde durante la mitad superior de la trayectoria circular, sino que “lloverá” dentro de la cavidad. Hay un deslizamiento entre el metal fundido y la pared del molde, lo que significa que la velocidad rotacional del metal es menor que la del molde. Con una base empírica, se ha encontrado [2] que para la fundición centrífuga horizontal son apropiados valores de GF de 60 a 80, aunque esto depende hasta cierto punto del metal que se funde.

Fundición semicentrífuga Con este método, se emplea la fuerza centrífuga para producir fundiciones sólidas, como se aprecia en la figura 16, en vez de piezas tubulares. La velocidad de rotación en la fundición semicentrífuga, por lo general se establece de modo que se obtengan factores G de alrededor de 15 [2], y los moldes se diseñan con mazarotas en el centro a fin de suministrar metal. La densidad del metal en el fundido final es mayor en las secciones exteriores que en el centro de la rotación. El proceso se emplea con frecuencia para piezas en las que el centro de la fundición se maquina, lo que elimina la porción donde la calidad es más baja. Ejemplos de fundidos elaborados con este proceso son las ruedas y las poleas. Para la fundición semicentrífuga es frecuente emplear moldes desechables, como lo sugiere la ilustración del proceso.

Fundición centrífugada En la fundición centrífugada, véase la figura 17, el molde está diseñado con las cavidades de la pieza localizada hacia afuera del eje de rotación, de modo que el metal vertido en el molde se distribuya hacia ellas por medio de la fuerza centrífuga. El proceso se emplea para piezas pequeñas y no es un requerimiento la simetría radial de la pieza, como sí lo es para los otros dos métodos de fundición centrífuga.

FIGURA 16 Fundición semicentrífuga

FIGURA 17 a) Fundición centrifugada, la fuerza centrífuga ocasiona que el metal fluya a las cavidades del molde, a partir del eje de rotación y b) el fundido.

LA PRÁCTICA DE LA FUNDICIÓN

En todos los procesos de fundido, debe calentarse el metal hasta alcanzar el estado líquido para verterlo o forzarlo de algún modo a que pase al molde. El calentamiento y la fusión se llevan a cabo en un horno. Esta sección se ocupa de los diversos tipos de hornos que se emplean en las fundidoras, así como de las prácticas de vertido para llevar el metal derretido del horno al molde.

Hornos

Los tipos de hornos más comunes que se emplean en las fundidoras son: 1) cubilotes, 2) hornos de combustible directo, 3) crisoles, 4) hornos de arco eléctrico y 5) hornos de inducción. La selección del tipo más apropiado de horno depende de factores tales como: aleación por fundir; sus temperaturas de fusión y vertido; requerimientos de capacidad del horno; costos de la inversión, la operación y el mantenimiento; y las consideraciones sobre contaminación ambiental.

Cubilotes Un cubilote es un horno cilíndrico vertical equipado con un canal de paso (o bebedero de sangrado) cerca de su base. Los cubilotes sólo se usan para hierros colados, y aunque también se emplean otros hornos, el mayor peso en toneladas de hierro colado se obtiene en cubilotes. En la figura 18 se ilustra la construcción general y características de operación. Consiste en un cascarón grande de placa de acero recubierta con material refractario. La “carga” consiste en hierro, coque, fundente y tal vez elementos de aleación, y se introduce a través de una puerta que se localiza a menos de la mitad de la altura del cubilote. Por lo general, el hierro es una mezcla del tipo de primera fundición (arrabio) y chatarra (incluidos mazarotas, vaciaderos y bebederos solidificados, procedentes de fundidos anteriores). El coque es el combustible que se usa para calentar el horno. Se introduce aire forzado a través de las aberturas cerca de la base del cascarón para la combustión del coque.

El fundente es un compuesto básico como la caliza, que reacciona con la ceniza del coque y otras impurezas para formar la escoria. Ésta sirve para cubrir el fundido, e impide que reaccione con el ambiente dentro del cubilote, y también reduce la pérdida de calor.

Conforme la mezcla se calienta y ocurre la fundición del hierro, se desaloja periódicamente el horno para verter metal líquido.

FIGURA 18 Cubilote que se usa para obtener hierro colado. El horno que se muestra es común para una fundidora pequeña y se omiten los detalles del sistema de control de emisiones que se requiere para un cubilote moderno.

Hornos de combustible directo Un horno de combustible directo contiene un hogar abierto pequeño en el que se calienta la carga de metal por medio de quemadores de combustible ubicados en uno de sus lados. El techo del horno ayuda a la acción de calentar por medio de reflejar la flama hacia abajo contra la carga. El combustible común es gas natural, y los productos de la combustión salen del horno a través de un cañón. En la parte inferior del hogar hay un agujero de salida para extraer el metal fundido. Los hornos de combustible directo por lo general se emplean en el fundido de metales no ferrosos tales como aleaciones a base de cobre y aluminio.

Crisoles Estos hornos funden el metal sin que tenga contacto directo con una mezcla combustible. Por esta razón, en ocasiones se les llama hornos de combustible indirecto. En las fundidoras se utilizan tres tipos de crisoles: a) móvil, b) estacionario y c) de volteo, los cuales se ilustran en la figura 19. Todos emplean un contenedor (el crisol) hecho de material refractario apropiado (por ejemplo, una mezcla de arcilla y grafito) o una aleación de acero de alta temperatura, para contener la carga. En el crisol móvil, éste se coloca en un horno y se calienta lo suficiente para derretir la carga de metal. Los combustibles comunes para estos hornos son petróleo, gas o carbón en polvo. Cuando el metal se derrite, el crisol se eleva fuera del horno y se usa como cuenco de vertido. Los otros dos tipos, que en ocasiones reciben el nombre de hornos de vasija, tienen el horno para calentar y el contenedor como unidad integrada. En el horno de crisol estacionario, el horno es estacionario y el metal fundido se extrae del contenedor con un cucharón. En el horno de crisol de volteo, todo el conjunto se inclina para hacer el vertido. Los crisoles se emplean para metales no ferrosos tales como bronce, latón y aleaciones de zinc y aluminio. Las capacidades de los hornos por lo general están limitadas a varios cientos de libras.

FIGURA 19 Tres tipos de crisoles: a) crisol móvil, b) crisol estacionario y c) crisol de volteo.

Hornos de arco eléctrico En este tipo de horno, la carga se funde debido al calor generado por un arco eléctrico. Existen varias configuraciones, con dos o tres electrodos. El consumo de energía es alto, pero los hornos eléctricos se diseñan para que tengan capacidad alta de fundición (23 000 a 45 000 kg/h, o 25 a 50 ton/h), y se usan sobre todo para fundir acero.

Hornos de inducción Un horno de inducción emplea corriente alterna que pasa a través de una bobina para desarrollar un campo magnético en el metal, y la corriente inducida que resulta ocasiona el calentamiento rápido y la fundición del metal. En la figura 20 se ilustran las características de un horno de inducción para las operaciones de fundición.

El campo de fuerza electromagnética hace que ocurra una acción mezcladora en el metal líquido. Asimismo, como el metal no entra en contacto directo con los elementos calientes, el ambiente en que tiene lugar se puede controlar de cerca. Todo esto da como resultado metales fundidos de calidad y pureza altas, y los hornos de inducción se emplean para casi cualquier aleación cuando esos requerimientos son importantes. En el trabajo de fundición son comunes las aplicaciones de fundir aleaciones de acero, hierro y aluminio.

FIGURA 20 Horno de inducción.

Vertido, limpieza y tratamiento térmico

En ocasiones se lleva el metal derretido del horno de fundición al molde por medio de crisoles. Con más frecuencia, la transferencia se lleva a cabo por medio de cuencos de varias clases. Estos cuencos reciben el metal del horno y permiten que se vierta de manera conveniente en los moldes. En la figura 21 se ilustran dos cuencos comunes, uno es para manejar volúmenes grandes de metal derretido por medio de una grúa elevada y el otro es un “cuenco para dos hombres”, para moverlo en forma manual y verter cantidades pequeñas.

FIGURA 21 Dos tipos comunes de cuencos: a) cuento de grúa y b) cuenco para dos hombres.

Uno de los problemas del vertido es que podría introducirse metal fundido oxidado al molde. Los óxidos de metal reducen la calidad del producto y quizás hagan que el fundido sea defectuoso, por lo que se toman medidas para minimizar la entrada de estos óxidos en el molde durante el vertido. En ocasiones se emplean filtros para capturar los óxidos y otras impurezas conforme se vierte el metal desde el canal, y se emplean fundentes para cubrir el metal derretido a fin de retardar la oxidación. Además, se han creado cuenco  para verter el metal líquido desde el fondo, ya que los óxidos se acumulan en la superficie de arriba. Después de que el fundido se ha solidificado y retirado del molde, por lo general se requiere cierto número de etapas adicionales. Estas operaciones incluyen 1) recortar, 2) retirar el núcleo, 3) limpiar las superficies, 4) inspeccionar, 5) reparar, si se requiriera, y 6) dar tratamiento térmico. En las fundidoras, se conoce al conjunto de las etapas 1 a 5 como “limpieza”. El grado en que se requieren estas operaciones adicionales varía según los procesos de fundido y los metales. Cuando se necesitan, por lo general son intensivas en mano de obra y costosas.

El recorte involucra la remoción de los bebederos, vaciaderos, mazarotas, rebabas en la línea de separación, coronas y cualquier exceso de metal de la pieza fundida. En el caso de aleaciones fundidas frágiles y cuando las secciones transversales sean relativamente pequeñas, es posible romper estos apéndices del fundido. De otro modo, hay que martillar, cortar, cortar con sierra, esmerilar o usar varios métodos de corte con soplete.

Si se usan núcleos para fundir la pieza, hay que retirarlos. La mayor parte de núcleos están unidos por medio químico o con arena y aceite, y es frecuente que caigan del fundido si el aglutinante se deteriora. En ciertos casos se retiran por medio del golpeo al fundido, ya sea en forma manual o mecánica. En instancias raras los núcleos se retiran en forma química con la disolución del agente aglutinante que se usó en el núcleo de arena. Los núcleos sólidos deben martillarse o presionarse.

La limpieza de las superficies es lo más importante en el caso de la fundición con arena. En muchos de los otros métodos de fundición, en especial en los procesos con molde permanente, puede evitarse este paso.

La limpieza de las superficies involucra la remoción de la arena de la superficie del fundido y otras maneras de mejorar su apariencia. Los métodos que se usan para limpiar superficies incluyen la agitación, el soplo de aire con granos de arena gruesa o balines de metal, uso de cepillos de alambre, pulido y limpieza con baño químico.

Es posible que el fundido tenga defectos, por lo que se necesita inspección para detectar su presencia. En la sección siguiente se estudian esos temas de la calidad. Es frecuente que los fundidos reciban tratamiento térmico a fin de mejorar sus propiedades, ya sea con operaciones subsecuentes tales como maquinar o resaltar las propiedades que se desean para la aplicación de la pieza en el servicio.

LOS METALES PARA FUNDICIÓN

La mayoría de fundidos comerciales están hechos con aleaciones y no con metales puros. Por lo general, las aleaciones son más fáciles de fundir y las propiedades del producto resultante son mejores. Las aleaciones de fundición se clasifican así: 1) ferrosas o 2) no ferrosas. La categoría de las ferrosas se subdivide en hierro colado y acero fundido.

Aleaciones ferrosas de fundición: hierro colado El hierro fundido es el más importante de todas las aleaciones para fundición. El peso en toneladas de las fundiciones hechas con hierro es varias veces el de todos los demás metales combinados.

Hay varios tipos de hierro colado: 1) hierro colado gris, 2) hierro nodular, 3) hierro colado blanco, 4) hierro maleable y 5) hierros colados de aleación. Las temperaturas comunes de vertido para el hierro colado son alrededor de 1 400ºC (2 500ºF), lo que depende de su composición.

Aleaciones ferrosas de fundición: acero Las propiedades mecánicas del acero lo hacen un material atractivo para la ingeniería, y la capacidad de crear formas complejas hace que la fundición sea un proceso llamativo.

Sin embargo, las fundidoras que se especializan en acero enfrentan dificultades grandes. En primer lugar, el punto de fusión del acero es considerablemente más alto que el de la mayoría de metales que es común fundir. El rango de solidificación para aceros al bajo carbono comienza apenas por debajo de 1540ºC (2 800ºF). Esto significa que la temperatura que se requiere para verter acero es muy alta, cerca de 1650ºC (3000ºF). A esas temperaturas tan elevadas el acero tiene una química muy reactiva. Se oxida con rapidez, por lo que deben emplearse procedimientos especiales durante la fundición y vertido a fin de aislar al metal derretido del aire.

Asimismo, el acero fundido tiene relativamente poca fluidez, y esto limita el diseño de secciones delgadas en componentes fundidos de acero. Son varias las características de los fundidos de acero que hacen benéfico el esfuerzo de resolver estos problemas. La resistencia a la tensión es mayor que la de la mayoría de metales para fundición, y es de 410 MPa (60000 lb/in2), aproximadamente. Los fundidos de acero tienen mejor tenacidad que la mayor parte de otras aleaciones fundidas. Las propiedades de los fundidos de acero son isotrópicas; su resistencia es virtualmente la misma en todas direcciones.

Por el contrario, las piezas conformadas mecánicamente (por ejemplo, rolado, forjado) presentan propiedades que varían con la dirección. En función de los requerimientos del producto, puede ser deseable que el comportamiento de un material sea isotrópico. Otra ventaja de los fundidos de acero es la facilidad con que se sueldan. Se sueldan sin que haya pérdida significativa de su resistencia, para reparar el fundido o para fabricar estructuras con otros componentes de acero.

Aleaciones no ferrosas de fundición Los metales no ferrosos para fundición incluyen aleaciones de aluminio, magnesio, cobre, estaño, zinc, níquel y titanio Las aleaciones de aluminio por lo general se consideran muy susceptibles de fundirse. El punto de fusión del aluminio puro es de 660ºC (1220ºF), por lo que las temperaturas de vertido de las aleaciones fundidas de aluminio son bajas en comparación con el hierro colado y el acero. Sus propiedades las hacen atractivas para los fundidos: poco peso, rango amplio de propiedades de resistencia que se logran por medio de tratamiento térmico y facilidad de maquinado. Las aleaciones de magnesio son las más ligeras de todos los metales para fundición. Otras propiedades incluyen resistencia a la corrosión, así como buenas resistencias a peso y rigidez a peso.

Las aleaciones de cobre incluyen bronce, latón y aluminio-bronce. Las propiedades que los hacen atractivos son la resistencia a la corrosión, apariencia atractiva y buenas cualidades para servir como boquillas. El costo elevado del cobre es una limitación en el uso de sus aleaciones. Las aplicaciones incluyen juntas para tubos, aspas de propelas marinas, componentes de bombas y joyería.

El estaño tiene el punto de fusión más bajo de los metales para fundición. Las aleaciones basadas en estaño por lo general son fáciles de fundir. Tiene buena resistencia a la corrosión pero mala resistencia mecánica, lo que limita sus aplicaciones a jarras de peltre y productos similares que no requieren mucha resistencia. Las aleaciones de zinc se emplean comúnmente en la fundición con troquel. El zinc tiene un punto de fusión bajo y buena fluidez, lo que lo hace muy susceptible de ser fundido. Su principal desventaja es que tiene poca resistencia al agrietamiento, por lo que sus fundidos no pueden sujetarse a esfuerzos grandes prolongados.

Las aleaciones de níquel tienen buena resistencia al calor y a la corrosión, lo que las hace apropiadas para aplicaciones de temperaturas altas tales como motores a chorro y componentes de cohetes, escudos de calor y otros productos similares. Las aleaciones de níquel también tienen un punto de fusión alto y no son fáciles de fundir. Las aleaciones de titanio para fundición son resistentes a la corrosión y poseen razones elevadas de resistencia a peso. Sin embargo, el titanio tiene un punto de fusión alto, poca fluidez y propensión a oxidarse a temperaturas elevadas. Estas propiedades hacen difícil fundirlo, a él y a sus aleaciones.

Se anexan algunos videos de fundicion de metales interesantes para mayor informacion.

Elaborado por:

Oswaldo Ochoa

Gerardo Chacin