S08.s16_Diseño y Análisis Ingenieril del Proceso de Fundición de Metales.pdf

OPERACIONES UNITARIAS Y PROCESOS
INDUSTRIALES: S08.s16
Docente Responsable: Ms. Ing. Benigno Miñano Calderón
Diseño y Análisis Ingenieril del Proceso de
Fundición de Metales

Datos/Observaciones
Recordando la clase anterior….
¿Cómo se clasifican los aceros según el contenido de elementos de aleación?
→Aceros de baja aleación: Contenido total de aleantes de 2% a 2,5% (suma total de
aleantes)
→Aceros de media aleación: de 2,5% a 4,5% (cantidad total de aleantes)
→Aceros de alta aleación: de más de 4,5% (cantidad de aleantes) No solo se
considera el % de aleación, sino también la cantidad de elementos de aleación.
Tiene un carácter cualitativo y cuantitativo.

Datos/Observaciones
Logro de aprendizaje
Al finalizar la unidad, el estudiante
reconoce el proceso de fundición y
moldeo de metales y plásticos y su
importancia en los procesos ingenieriles.

Datos/Observaciones
Contenido
• Fundición: definición, Tipos.
• Fundición extractiva, ejemplos
• Fundición por moldeo: importancia, factores, tipos.
• Proceso de fundición, materiales utilizados.
• Fundición en moldes no permanentes, etapas, tipos,
condiciones en los que se utiliza.
• Fundición en moldes permanentes, tipos,
condiciones en los que se utiliza.
• Análisis de ingeniería
• Defectos de fundición y métodos de inspección

Datos/Observaciones
PROCESO DE FUNDICIÓN, DEFINICIÓN
Proceso de manufactura que tiene por
objetivo producir piezas a partir de licuación
de metales (Aleación) que luego pasará a un
molde debidamente preparado donde se
solidificará y tomará la forma deseada
(Colada).
Las fundiciones están constituidas por
elementos como hierro, carbono, silicio,
además de magnesio, fósforo, azufre etc.
Existen muchos factores y variables que se
deben considerar para lograr una operación
de fundición exitosa.

Datos/Observaciones
PROCESO DE FUNDICIÓN, DEFINICIÓN

Datos/Observaciones
PROCESO DE FUNDICIÓN, IMPORTANCIA

Datos/Observaciones
PROCESO DE FUNDICIÓN, FACTORES QUE INFLUYEN

Datos/Observaciones
PROCESO DE FUNDICIÓN, MATERIALES EMPLEADOS
Materiales empleados en la fundición por gravedad.

Datos/Observaciones

Datos/Observaciones
Aleaciones no férreas.
•Aleaciones de titanio:
• T° fusión alrededor 1675°C.
• La principal característica del titanio es la
excelente relación entre el peso y la
resistencia.
• En general, la maquinabilidad de las aleaciones
de titanio es mala comparada con la de otras
aleaciones metálicas.
Aleaciones de Plomo y Estaño: metales blancos
• T° fusión entre 230-330°C.

Datos/Observaciones
Materiales empleados en la fundición a presión.
Las aleaciones más aptas para ser utilizadas en los procesos de
fundición a presión, son aquellas que tienen menor punto de
fusión.
Entre ellas las más habituales se encuentran las siguientes:
Aleaciones ligeras
•Aleaciones de aluminio:
• Tª fusión alrededor de 660ºC.
• Principales elementos de aleación: cobre, zinc, silicio,
magnesio, manganeso.
• Densidad 2,7gr/cm3.
• Aleaciones dúctiles y maleables.
• Buenas conductoras de la electricidad y el calor.
• El aluminio es resistente a la corrosión, ya que está
protegido por una pequeña capa de óxido de aluminio o
alúmina (Al2O3). Es, además, no tóxico y altamente
reciclable.

Datos/Observaciones
Materiales empleados en la fundición a presión.
•Aleaciones de magnesio para moldeo:
• T° fusión alrededor de 650°C.
• Es el metal más ligero densidad 1,74 gr/cm3.
• El magnesio es un metal altamente inflamable, que
entra en combustión fácilmente cuando se
encuentra en forma de virutas o polvo.
• Se emplean cuando es necesario una extrema
ligereza además de resistencia.
• Son aleaciones muy maquinables, sin embargo
presentan elevado riesgo de incendio y explosión
cuando la viruta se reduce a polvo.
•Aleaciones de Zinc para moldeo (zamak)
• Estas aleaciones están formadas por cinc, aluminio,
cobre y magnesio, y se moldean generalmente a
presión (inyección), aunque pueden moldearse
también por gravedad.
• T° fusión alrededor 380°C.

Datos/Observaciones
FUNDICIÓN EN MOLDES NO PERMANENTES

Datos/Observaciones
Fabricación de moldes
Para la fabricación de moldes para el moldeado en arena verde se
suele utilizar una proporción típica de: 90% de Sílice (SiO2); 7% de
arcilla y 3% de agua
También se utilizan diversos métodos de compactación, como son:
•Manual
•Presión neumática
•Sacudimiento
•Lanzamiento de arena a presión
Ventajas e inconvenientes de la fundición en arena:
Ventajas
•Se pueden colar casi cualquier tipo de material.
•Prácticamente no existe límite en las formas, tamaño y peso de la
pieza a obtener.
•Las herramientas y accesorios son económicos.
Inconvenientes
•En la mayoría de ocasiones hacen falta operaciones de acabado:
mecanizado, rectificado, etc.
•Las tolerancias dimensionales que se obtienen son amplias.
•El acabado superficial es relativamente basto.
PROCESO DE FUNDICIÓN EN MOLDES NO PERMANENTES

Datos/Observaciones
Fabricación del Modelo:
Los modelos para fundición se realizan en una gran variedad de
materiales dependiendo de la exigencia dimensional, robustez o
número de piezas a moldear:
•Madera: Son de fácil mecanizado y manejo debido a su reducido
peso. Suelen ir pintados para protegerlos de la humedad, y evitar
que se hinchen.
•Acero o fundición de hierro: Resistentes a la abrasión, utilizados
en moldeo automático para grandes series.
•Aleaciones de cobre: Latones para modelos en racimo y piezas
pequeñas de precisión.
•Aleaciones de aluminio: Mayor vida útil que los de madera y
menor peso que los de acero, pero son un poco más caros.
•Resinas: Material muy utilizado en la actualidad para la
construcción de modelos. Características similares a la madera,
pero más resistentes a la abrasión.
•Poliestireno expandido (EPS): Modelos que se destruyen para
cada colada y que, como se verá, han dado pie al desarrollo de otra
técnica de construcción de moldes.

Datos/Observaciones

Datos/Observaciones
Cuando los modelos tienen grandes dimensiones o cuando es
preciso reducir el precio (caso de moldeo de pocas unidades)
es suficiente realizar un modelo falso, con el cual se pueda
construir un molde definitivo. Pueden ser de varios tipos:
Modelos de esqueleto o armazón: Se construye una carcasa o
armazón, que el moldeador rellena de arena y de yeso, antes
de utilizarlo como modelo.
Modelos de terraja: Cuando la pieza presenta un eje de
revolución o es rectilínea de perfil constante se puede
moldear utilizando terrajas, también conocidas como calibres
o plantillas.
•Moldeo de piezas de revolución: se trata de hacer girar el
modelo, generalmente de madera, alrededor de un eje para
moldear la forma de revolución.
•Moldeo de piezas lineales: mediante una forma plana con el
perfil a moldear, y ayudándonos de unas guías, se da forma a
la arena de moldeo.

Datos/Observaciones
Modelos desechables
Son modelos construidos en material combustible o fusible, que se
fabrican y destruyen para cada molde (para cada pieza).
En estos casos, se derrite el modelo y queda el molde vacío preparado
para recibir el metal fundido. En algunos casos, el material derretido del
modelo se recupera para su posterior utilización.
"LOST FOAM"
En este proceso no se moldea una cavidad para poder colar el metal,
sino que se construye el molde rellenando arena alrededor de modelos
desechables de poliestireno expandido (EPS).
El molde está sin dividir y, por lo tanto, los modelos pueden ser de una
sola pieza, aunque a veces se dividen para facilitar su realización. Estos
modelos se vaporizan completamente durante la colada.
Es un proceso muy utilizado para fundir piezas de gran tamaño. Los
modelos se construyen por mecanizado de partes simples, que
posteriormente se unen con adhesivo formando el modelo final. Para
series altas de piezas pequeñas, los modelos se obtienen por inyección
en moldes metálicos.

Datos/Observaciones
Cuando una pieza de fundición tiene huecos o cavidades que son imposibles de reproducir por los modelos, se
deben colocar en el interior del molde unos elementos denominados machos, núcleos, noyos o corazones, de
tal manera que al colar el metal se rellenan todas las cavidades excepto los espacios ocupados por los mismos.
Una vez extraída la pieza del molde, se desmenuza la arena del macho y se extrae por algún orificio que se
habrá dejado previsto para ello. Los machos deberán tener incrementada su longitud con portadas o
alojamientos, para poder montarlos en el molde, en los huecos que se habrán previsto para ello. En caso de
piezas con agujeros ciegos, donde es imposible apoyar los machos sobre portadas, se apoyan sobre armaduras
o apoyos metálicos que quedarán incluidos en la pieza.

Datos/Observaciones
PROCESO DE FUNDICIÓN

Datos/Observaciones
Moldeo:
El moldeo, consiste en realizar el molde o
hueco que posteriormente se rellenará con
el metal fundido.
•En el moldeo en coquillas metálicas
(moldes metálicos) por gravedad, una vez
construido el molde se cierra y queda listo
para la colada. Generalmente las dos partes
de la coquilla se obtienen por mecanizado.
•En el moldeo en arena, para poder realizar
el molde, previamente se tienen que
construir unas reproducciones de las piezas
que se desean fabricar, y que se
denominan modelos.

Datos/Observaciones

Datos/Observaciones
Moldeo abierto
En un molde abierto, el metal líquido se vacía simplemente hasta llenar
la cavidad abierta. Es un proceso muy parecido a la solidificación del
agua cuando se congela en las cubiteras de hielo.
En la imagen ampliable de la izquierda podrás apreciar un molde
abierto: se trata de una lingotera para obtener lingotes de aluminio.
Moldeo cerrado
Por otro lado, en el moldeo cerrado, como su propio nombre indica, se
ejecuta en un molde cerrado. Generalmente el molde de esta
modalidad consta de dos partes. En la imagen de la derecha puedes
apreciar la parte fija de un molde de inyección.
Este tipo de moldeo es el que más se emplea. En sucesivos apartados
descubrirás las características de este tipo de moldeo; en concreto:
1.Moldeo con moldes desechables.
• Moldeo en moldes de arena.
2.Moldeo con moldes permanentes.
• Fundición inyectada.
• Fundición centrífuga.

Datos/Observaciones
Técnicas de moldeo de arena

Datos/Observaciones
Con el fin de mejorar la calidad superficial de
las piezas fundidas, se suelen aplicar sobre las
superficies de contacto del molde y machos
con el material fundido,
distintos recubrimientos o pinturas
refractarias.
Los recubrimientos se diferencian en función
del tipo de diluyente utilizado, agua o alcohol,
y atendiendo a los tipos de materiales
refractarios presentes en su constitución.
Estos recubrimientos son aplicados por
diferentes métodos: brocha, vertido, pistola,
inmersión, etc. Antes de efectuar la colada
hay que secar por completo estos
recubrimientos.

Datos/Observaciones
Moldeo:
Las operaciones a realizar para la realización del
molde en un proceso manual a continuación se
detallan:
1- Se coloca el modelo en una caja de moldeo para
realizar las cavidades de la mitad inferior.
2- Se espolvorea la superficie en contacto con los
modelos con la arena con algún desmoldeante, para
facilitar el retiro del modelo sin arrastrar arena.
3- Se rellena la caja con una arena especial y se
compacta.
4- Se da la vuelta a la caja y se colocan los modelos
que realizarán las cavidades en la mitad superior del
molde.
5- Se procede del mismo modo, rellenando y
compactando la arena de la mitad superior.
En la mitad azul de la foto se aprecia la mitad
inferior del molde ya moldeada con los modelos
colocados para construir la parte superior.
En la mitad marrón del molde, se han quitado los
modelos y se han montado los machos.

Datos/Observaciones
Moldeo:
6- Se separan las dos mitades del molde,
se retira el modelo, y queda en la arena un
hueco que reproduce la forma del modelo.
7- Se realizan los huecos por donde
entrará el metal fundido (bebederos y
canales de distribución).
8- En caso de que la pieza a realizar tenga
huecos interiores, se colocan los machos
para poder reproducir en la pieza dichos
huecos.
9- Se vuelven a juntar las dos mitades del
molde, y queda listo para verter el metal
líquido.
Dependiendo de la complejidad de la pieza, o de la altura de las
cajas de moldeo a emplear, se suelen realizar moldes con más de
dos cajas de moldeo.

Datos/Observaciones
Tipos de Moldeo:
Los métodos manuales de construcción de moldes, se
denominan de diferente manera, dependiendo del tamaño de
las piezas a fundir.
En este apartado se abordará el estudio de los más
significativos.
Moldeo en banco
El moldeo se realiza en un banco o soporte a una altura que
facilite el trabajo del operario. Se utiliza este método, para
piezas de tamaños medios y pequeños, utilizando cajas en
cuyo interior se realiza el molde, que se realiza habitualmente
con modelos partidos.
Moldeo en piso
Se usa cuando las piezas son grandes, en este caso el tamaño
de las piezas dificulta el manejo de las piezas y moldes, por lo
que el trabajo se realiza a la altura del piso. El procedimiento
empleado es igual que en el moldeo en banco, pero para
poder manipular y trabajar con los moldes se utilizan grúas.

Datos/Observaciones
Tipos de Moldeo:
Moldeo en fosa
En algunas ocasiones, es necesario construir una fosa por
debajo del nivel del suelo, para poder realizar los moldes.
Cuando las piezas son extremadamente grandes, no se
pueden utilizar cajas de moldeo, ya que debido al tamaño y
peso que tendrían, sería imposible manipularlas. En estos
casos se unen varios machos dentro de la fosa para formar
tanto la parte interior como la exterior de lo que sería la
pieza.
Otro ejemplo de la utilización de fosas, sería la de colocar un
macho en el fondo de la fosa que actúe de "cama" para
colocar sobre el mismo el modelo de Poliestireno expandido
(EPS), y completar el molde rellenando la fosa con arena
alrededor del modelo desechable.
También se utilizan estas fosas colocando cajas de moldeo
dentro de las mismas, para que la parte superior de los
moldes quede a una altura que posibilite su construcción y
colada cuando las piezas a fundir son muy altas.

Datos/Observaciones
La Fusión:
Para poder efectuar la colada del metal, previamente hay que
ajustar la composición del mismo. Una vez que el metal es calentado
a una temperatura suficientemente alta para transformarla
completamente al estado líquido, se vierte directamente en la
cavidad del molde por medio de cazos de colada.
Estas operaciones se llevan a cabo en hornos de muy variados tipos,
que se adaptan a las necesidades de cada fundición, teniendo en
cuenta distintos factores:
•Tipos de aleación a fundir.
•Temperatura necesaria para fundir el metal.
•Velocidad de fusión.
•Cantidad de material a fundir.
•Capacidad de control de parámetros de fundición.
•Energía utilizada, gastos de instalación y consumo.
•Mantenimiento y reparación.
En los últimos años ha crecido la utilización de hornos eléctricos,
debido principalmente a la rapidez de fusión y al buen control de
parámetros de fusión que ofrecen.

Datos/Observaciones
Colada:
Una vez fundido el metal en el horno, se traslada al molde
en unos recipientes denominados cucharas de colada,
manuales o para manejo con grúa (cuando se manejan
grandes volúmenes), que se utilizan, además, para realizar
algunos tratamientos necesarios en el caldo, como pueden
ser:
•Ajustar la composición.
•Desulfuración del caldo base.
•Tratamiento de esferoidización del grafito. En el caso de
fundiciones de grafito nodular, consiste en añadir al caldo un
producto esferoidizante del grafito (normalmente
Magnesio).
•Tratamiento de inoculación. Consiste en someter la
fundición esfereodizada a un tratamiento especial con el fin
de evitar que pase parcial o totalmente a fundición blanca e
impedir que los nódulos se disuelvan en el baño metálico
(normalmente ferro silicio, FeSiCr, silicato de calcio, etc.).

Datos/Observaciones
La Colada puede realizarse según varios procedimientos:
Colada directa (en caída o por arriba)
El llenado del molde se realiza por la parte superior de la pieza. Cuando son piezas grandes y la
entrada se hace por varios orificios se llama colada directa en lluvia. Normalmente se utilizan
filtros para minorar la turbulencia del metal al caer, provocando erosiones en el molde, atrape de
aire y proyecciones de metal (gotas frías).
Colada en fuente (por la base)
Cuando se introduce el líquido por el fondo del hueco del molde. Reducen la turbulencia al
mínimo, pero crean grandes gradientes de temperatura, enfriándose al subir, y podría no llegar a
llenar el molde; para reducir este efecto se colocan mazarotas laterales.

Datos/Observaciones
La Colada puede realizarse según varios
procedimientos:
Colada por el costado
Cuando el llenado es lateral, mediante
bebederos verticales y canales de entrada. Se
utiliza mucho por la facilidad de moldeo.
Produce poca turbulencia, pero origina
mayores gradientes de temperatura desde el
lado del bebedero al lado opuesto; para evitar
esto se colocan varios bebederos simétricos.
Colada horizontal
Cuando se introduce el líquido a la altura de la
junta de las dos cajas. Es la de uso más
frecuente.

Datos/Observaciones
Operaciones de acabado.
Una vez el metal ha solidificado y se ha enfriado lo
suficiente como para poder manipular la pieza sin
estropearla, se extrae la pieza del molde y se somete
a unas operaciones de acabado para eliminar los
restos de arena, rebabas, bebederos y mazarotas
adosados.
•Desmoldeo : es la operación de extracción del
molde de la pieza solidificada después de su
enfriamiento. Consiste en romper el molde de arena
o cerámico para poder extraer la pieza. El
procedimiento puede ser manual o con ayuda de
máquinas vibradoras o de sacudidas. En la fundición
en moldes metálicos, simplemente se abre el molde
para extraer la pieza.

Datos/Observaciones
•Limpieza: para eliminar los restos de arena y mejorar el
acabado de la pieza, se usan normalmente los siguientes
métodos:
• Cepillos metálicos.
• Tambores o cubas de frotación, con piezas de fundición
que rozan con las piezas desmoldeadas limpiándolas.
• Chorreado de aire con arena o granalla.
• Chorreado de agua a presión y con mezcla de agua y
arena.
•Desbarbado: la eliminación de las grandes rebabas,
bebederos y mazarotas se efectúa con ayuda de aparatos
diversos.
Para las rebabas se emplean cinceles neumáticos o muelas
de disco. Los bebederos y mazarotas se cortan con sierra de
disco abrasivo y los restos se eliminan con amoladoras.

Datos/Observaciones
Acabado final: En piezas fundidas, suele ser
habitual dejar sobre espesores en la pieza, en
aquellas zonas en las que resulta imposible
conseguir algunas especificaciones finales
por fundición.
Estas zonas se mecanizan posteriormente
para lograr dichas especificaciones, como
pueden ser: necesidad de superficies con
mayor exactitud dimensional, planitud, etc.
Para mejorar el aspecto último, se pueden
realizar operaciones de:
•Pulido, con bandas o discos abrasivos.
•Cepillado, con ruedas de alambres o cepillos
de fibra.

Datos/Observaciones
Para mejorar sus propiedades, se pueden hacer
tratamientos térmicos a las piezas fundidas. Los más
habituales para piezas de fundición son:
•Aliviamiento de tensiones: tratamiento a baja
temperatura, para reducir o aliviar tensiones internas
remanentes después de la colada.
•Recocido: para mejorar la ductilidad y tenacidad, para
reducir dureza y remover carburos.
•Normalizado: para mejorar la resistencia con algo de
ductilidad.
•Temple y revenido: para aumentar la dureza o mejorar la
resistencia, y una más alta tensión de prueba.
•Austemperizado: para producir estructuras urbanísticas
de alta resistencia con algo de ductilidad y buena
resistencia al desgaste.
•Endurecimiento superficial por inducción: para mejorar
resistencia al desgaste.
https://www.youtube.com/watch?v=sA8umYIfc1U

Datos/Observaciones
PROCESO DE FUNDICIÓN EN MOLDES PERMANENTES
Fundición con molde permanente. Fundición a
presión
La fundición a presión se diferencia de los
procedimientos ordinarios en que la colada no se
realiza por gravedad, sino que el metal previamente
fundido se introduce a presión en el molde.
Este procedimiento permite fundir piezas de forma
complicada con aristas pronunciadas y espesores
mínimos. La superficie de las piezas resulta limpia y
sin defectos.
Como el material, debido a la presión, resulta más
compacto, sus propiedades mecánicas mejoran hasta
un 20 % respecto a los metales colados por
gravedad.
Este método se emplea generalmente para la
fabricación de piezas en grandes series debido al
elevado coste de los moldes.

Datos/Observaciones
FUNDICIÓN EN MOLDES PERMANENTES

Datos/Observaciones
FUNDICIÓN EN MOLDES PERMANENTES
https://www.youtube.com/watch?v=vZIK1uTsu9w&list=RDLVlrIecu0Dz0o&index=3

Datos/Observaciones
▪ La fundición en moldes no permanentes implica menores costos de moldes y equipos,
pero con una menor precisión dimensional.
▪ Los moldes utilizados en la fundición de molde permanente están hechos de metal o
de grafito y se utilizan varias veces para producir un gran número de piezas.
▪ En la fundición de molde permanente, los costos de las matrices y del equipo son
relativamente altos, pero los procesos resultan económicos cuando se trata de grandes
lotes de producción.
▪ Las fundiciones se pueden someter a proceso adicional (como el tratamiento térmico y
las operaciones de maquinado) para producir las formas finales deseados y las
características de las superficies.
CONCLUSIONES

Datos/Observaciones
ANÁLISIS DE INGENIERÍA DE PREPARACIÓN

Datos/Observaciones
ANÁLISIS DE INGENIERÍA DEL VERTIDO

Datos/Observaciones
ANÁLISIS DE INGENIERÍA DEL VERTIDO
La regla de Chvorinov es una relación matemática que en procesos de fundición metalúrgica, relaciona el tiempo de
solidificación de una pieza con su volumen y superficie.
Cuantifica la experiencia empírica de que a iguales condiciones externas, la pieza con mayor superficie y menor volumen se
enfriará más rápidamente que otra con menos superficie y mayor volumen. La relación puede escribirse como:

Datos/Observaciones
COSTOS DE LA FUNDICIÓN

Datos/Observaciones
DEFECTOS DE FUNDICIÓN

Datos/Observaciones
METÓDOS DE INSPECCIÓN

Datos/Observaciones
¿SE LOGRO EL OBJETIVO DE LA SESIÓN?
LISTA DE COTEJO
Aspectos observables Sí No
Define el Proceso de Fundición, entiende su importancia y los factores que influyen.
Discrimina los materiales en ferrosos y no ferrosos.
Describe cada etapa del proceso de fundición.
Describe en que consiste el moldeo, tipos y establece en que condiciones es adecuada su uso.
Diferencia los diferentes tipos de fundición en moldes no permanentes.
Diferencia los diferentes tipos de fundición en moldes permanentes.
Análisis de ingeniería del proceso de fundición.
Entiende la importancia de las inspecciones en la búsqueda de posibles defectos de fundición.
Total
Observaciones:

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