CAPITULO II DE PROCESOS MANUFACTURA II FUNDICION Y MOLDEO.ppt

Objetivos:
Se analiza la aplicación de los procesos de
solidificación, llamado fundición de metales.
La solidificación de aleaciones en moldes.
Los factores que afectan la fluidez y la calidad
de las fundiciones.
Las principales clases de aleaciones para
fundición.

La fundición de formas simples para su
procesamiento posterior por deformación
plástica.
Los procesos para fundir formas en moldes
desechables y permanentes.
Los métodos para mejorar las propiedades de
las fundiciones.
La elección del proceso de fundición y el
diseño de piezas para la facilidad de fundición.

2.1.- CONCEPTO: La fundición es un proceso en el cual
el metal fundido fluye por gravedad u otra fuerza dentro
de un molde donde solidifica y toma la forma de la
cavidad del molde.
PRINCIPIO: -Se funde el metal.
-Se vacía en un molde.
-Se deja enfriar.

Las ventajas de este proceso incluyen los
siguientes aspectos:
Para una pieza no moldeada en maquina, el proceso
requiere menos tiempo.
No requieren que hagan tolerancias especiales para
ayudar a extraer el modelo de la arena y se requiere
menor cantidad de metal.
El acabado es uniforme y razonablemente liso.
No se requiere de modelos complejos de madera con
partes sueltas.

No se requiere caja de corazón y corazones.
El modelo se simplifica grandemente.
Las desventajas de este proceso incluyen los siguientes
aspectos:
El modelo es destruido en el proceso.
Los modelos son más delicados de manejar.
El proceso no puede ser usado con equipos de moldeo
mecánico.
No puede ser revisado oportunamente el modelo de la
cavidad.

2.2.- RESUMEN DE LA TECNOLOGIA
DE FUNDICION

FIG. MOLDE DE MADERA DE LA PIEZA

Fig: Metal fundido en el horno

FIG PIEZA TERMINADA
FIG. VACIADO DEL
METAL FUNDIDO
FIG. PIEZA DESPUES
DE DESACER EL MOLDE

DIVISION DE PROCESOS DE FUNDICION
FUNDICION DE MOLDE
DESECHABLE
FUNDICION EN MOLDE
PERMANENTE
FUNDICION EN ARENA
PROCESOS ALTERNATIVOS
DE FUNDICION EN MOLDES
DESECHABLES

Fig. Dos formas de molde a) Molde abierto, b) Molde
cerrado.
(a) (b)

Fig. 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 la arena se compacta alrededor de
este y (3) se vacía el metal fundido en la parte del patrón que forma la copa de
vaciado y el bebedero . Al entrar el metal en el molde la espuma del
poliestireno se vaporiza y deja que el metal llene su lugar en la cavidad.
(3)
Copa y bebedero
De espuma
Modelo de espuma

Fig. Pasos en la fundición en molde permanente: (1) El molde
se precalienta y se recubre; (2) Se insertan los corazones y se
cierra el molde; (3) El metal fundido se vacía en el molde; (4) El
molde se abre y (5) La pieza terminada se muestra.

Fig: Piezas producidas por fundición

2.3.1- CALENTAMIENTO DEL METAL:
Para desarrollar la operación de fundición el
metal se calienta a temperatura ligeramente
mayor que su punto de fusión.
Vaciarlo después en la cavidad del molde para
que se solidifique.
El calentamiento y la fusión se realizan en
hornos.
Los tipos de hornos que se emplean: Hornos de
crisol, hornos de arco eléctrico, hornos de
inducción y cubilotes.

La energía calorífica para calentar el metal a la
temperatura de colada es la suma de
Calor para elevar la
temperatura hasta el
punto de fusión
Calor de fusión para
convertir el metal
sólido a liquido
Calor para elevar
al metal fundido
a la temperatura
de colada
+ +
Calor Total = H = ρV Cs( Tm- To) + Hf + Ct ( Tp- Tm)

DONDE :
H : Calor total Joule ( BTU ).
ρ : Densidad del material gr/cm3 ( lb/ pulg3 ).
V : Volumen del metal que se calienta cm3 ( pulg3 ).
Cs : Calor especifico en peso para el material sólido
J/gr - ºC ( BTU/ lbm - ºF).
Tm : Temperatura de fusión del metal ºC (ºF).
To : Temperatura inicial generalmente ambiente ºC (ºF).
Hs : Calor de fusión J/gr ( BTU/lb.).
Ct : Calor especifico en peso del metal liquido
J/gr.- ºC ( BTU/ lbm- ºF).
Tp : Temperatura de vaciado ºC (ºF).

2.3.2.- ANALISIS INGENIERIL DEL VACIADO
Fig: Fundición molde cerrado

.1
h = Z2-Z1
.
2
Bebedero
V2 = √ 2 g h
------ + Z1 + -------- = -------- + Z2 + ---------
P1
ρg
V1
2g 2g
ρg
P2
V2
Análisis con la Ecuación de Bernoulli
+ F1-2

1.- VELOCIDAD DEL METAL FUNDIDO
V = √ 2 g h
Donde:
V: Velocidad del metal liquido en la base del bebedero
cm/seg ( pulg/seg).
h: Altura del bebedero cm (pulg).
g: aceleración de la gravedad, 981 cm/seg2 (386 pulg/ seg2).
2.- VELOCIDAD DEL FLUJO VOLUMETRICO
Q = V1A1 = V2A2= VA

Donde:
Q = Velocidad del flujo volumétrico cm3/seg. ( pulg3/seg).
V = Velocidad del metal liquido cm./seg. ( pulg./seg).
A = Área de sección transversal de base del bebedero
cm2 ( pulg2).
3.- TIEMPO DE LLENADO DEL MOLDE
MFT = --------
V
Q
Donde:
MFT : Tiempo de llenado del molde seg.
V : Volumen de la cavidad del molde cm3 ( pulg3).
Q : Velocidad del flujo volumetrico cm3/seg ( pulg3/seg.

2.4.- SOLIDIFICACION Y ENFRIAMIENTO

Los aspectos asociados con la solidificación :
1.- Solidificación de los metales.
2.- Tiempo de enfriamiento.
3.- Diseño de las mazarotas.
4.- Contracción.
5.- Solidificación direccional.

1.- SOLIDIFICACION DE LOS METALES
Regreso del metal al estado sólido.
El tiempo total de solidificación va desde el
momento de vaciar el metal hasta su
completa solidificación.
El proceso de solidificación difiere
dependiendo si el metal es un elemento puro
o una aleación.

FIG. CURVA DE ENFRIAMIENTO PARA UN METAL PURO

FIG. (a) DIAGRAMA DE FASE PAR UN SISTEMA DE ALEACION
COBRE- NIQUEL (b) CURVA DE ENFRIAMIENTO ASOCIADA PARA
UNA COMPOSICION Ni-Cu 50-50% DURANTE LA FUNDICION
(a) (b)

2.- TIEMPO DE ENFRIAMIENTO
El tiempo depende del tamaño y de la forma de la
fundición expresada por una relación empírica conocida
como regla CHVORINOV
TST = Cm -------
V
A
n
Donde:
TST : Tiempo de solidificación total min.
V : Volumen de fundición cm3 ( pulg3).
A : Área superficial de la fundición cm2 ( pulg2).
n : Exponente que toma usualmente un valor de 2.
Cm : Constante del molde min/cm2 ( min /pulg2).
Depende del material del molde, propiedades
térmicas del metal fundido.

3.- DISEÑO DE LA MAZAROTA
La mazarota debe permanecer fundida hasta después
de que la fundición solidififique
TST > TST
3.- DISEÑO DE LA MAZAROTA
MAZAROTA PIEZA
RELACION PARA DISEÑO DE MAZAROTA Y NO EXISTA
CONTRACCION EN LA SOLIDIFICACION DE LA PIEZA
FUNDIDA

4.- CONTRACCION
Contracción liquida: Durante el enfriamiento
anterior a la solidificación.
Contracción de solidificación: Durante el cambio
de fase de liquido a sólido.
Contracción térmica de la fundición solidificada:
Durante el enfriamiento hasta la temperatura
ambiente.

(a) (b)
Fig.(a) Niveles iniciales del metal fundido inmediatamente después
del vaciado, (b) Reducción del nivel causada por la contracción del
liquido durante el enfriamiento.

(c) (d)
Fig. (c) reducción de la altura y formación de la bolsa de contracción
causada por la contracción por solidificación (d) Reducción
posterior de la altura y diámetro debida a la contracción térmica
durante el enfriado del metal sólido

5.- SOLIDIFICACION DIRECCIONAL
Es conveniente que las regiones de la fundición
mas distantes de la fuente de metal liquido se
solidifique primero y que la solidificación progrese
de estas regiones hacia la mazarota.
La solidificación direccional deseada se logra
aplicando la regla Chvorinov al diseño de la
fundición, a su orientación dentro del molde y al
diseño del sistemas de mazarotas.
Localizar las secciones de la fundición con menores
relaciones V/A lejos de las mazarotas las
solidificaciones aparecerá primero en estas.

Fig.(a) Enfriadores externos para alentar la solidificación rápida
del metal fundido en una zona delgada de la fundición (b)
resultado probable si no se usan enfriadores

2.5.- PROCESOS DE FUNDICION DE
METALES

1.- FUNDICION EN ARENA:
La fundición en arena es el proceso mas
utilizado .
La producción por medio de este método
representa la mayor parte de tonelaje total
de fundición.
Casi todas las aleaciones pueden fundirse
en arena como son el acero, níquel y el
titanio.
Su versatilidad permite fundir partes muy
pequeñas o de grandes dimensiones.

SE USAN VARIOS INDICADORES PARA
DETERMINAR LA CALIDAD DE LA ARENA PARA
EL MOLDE:
Varias de las pruebas están diseñadas para
determinar las siguientes propiedades de la arena
de moldeo:
PERMIABILIDAD: La porosidad de la arena que
permite el escape de los gases y vapores
formados en el molde.
RESISTENCIA: La arena debe ser cohesiva hasta
el grado de que tenga suficiente ligazón, tanto el
contenido de agua como el de arcilla, afecta la
propiedad de la cohesión.

RESISTENCIA EN SECO: es la resistencia
necesaria en la arena para mantener la forma de
la cavidad del molde cuando este seca.
REFRACTARIEDAD: La arena debe resistir las
altas temperaturas sin fundirse.
RESISTENCIA EN CALIENTE: Esta resistencia
hace que la arena no se deteriore ni cambie sus
dimensiones. Una vez que el metal se solidifica
y seca las orillas del molde, la arena se
calentará mucho; pero en ese momento se
solidificó el metal y no es crítico el estado de la
arena.

DESPRENDIMIENTO: Es la facilidad de la arena
para sacudirla o sacarla después que solidificó
la pieza. Si la arena tiene mucho aglutinante se
endurece mucho al secarlas y se hace difícil
separarla de la pieza fundida.
TAMAÑO Y FORMA DEL GRANO: La arena debe
tener un tamaño de grano dependiente de la
superficie que se trate de producir, y los granos
deben ser irregulares hasta tal grado que
mantenga suficiente cohesion.
RESISTENCIA EN VERDE: es la capacidad de la
arena para formar grumos para retener la forma
necesaria.

FIG. FUNDICION EN ARENA PARA EL CUERPO DE UN COMPRESOR
CON UN PESO DE 1500 LB

FIG. PASOS EN LA SECUENCIA DE PRODUCCION DE LA
FUNDICION EN ARENA

Fig. Tipos de patrones utilizados en la fundición en arena a).- Modelo
sólido, b).- Modelo dividido, c).- Modelo con placa de acoplamiento
y d).- Modelo con doble placa superior e inferior.

(a) (b) (c)
Fig. (a) Corazón mantenido en su lugar dentro de la cavidad del molde
por los sujetadores, (b) Diseño posible del sujetador y (c) Fundición
con cavidad interna

2.- PROCESOS ALTERNATIVOS DE FUNDICION
EN MOLDES PERMANENTES:
Existen otros métodos de fundición que son
versátiles como los procesos de fundición en arena.
La diferencia entre estos métodos radica en la
composición del molde.
El método de fabricación del molde o en la forma
como se hace el patrón.
Moldeo en concha.
Moldeo al vació.
Proceso con poliestireno expandido.
Fundición por revestimiento.

Arena con aglutinante
de resina
Fig. Pasos para el moldeo en concha. 1) Un modelo metálico con placa de
acoplamiento, 2) La caja se voltea y deja caer la arena junto con la resina
sobre el molde caliente, 3) La caja vuelve a su posición original las partículas
no curadas caen alfondo, 4)La concha de arena se calienta en una estufa
para completar el curado, 5) EL molde de concha se desprende del modelo
6) Las dos mitades del molde de concha se ensamblan , 7) Fundición terminada.

Fig. 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 la arena se compacta alrededor de
este y (3) se vacía el metal fundido en la parte del patrón que forma la copa de
vaciado y el bebedero . Al entrar el metal en el molde la espuma del
poliestireno se vaporiza y deja que el metal llene su lugar en la cavidad.

Fig. Pasos en la fundición por revestimiento, 1)Se construyen los patrones
o modelos de cera, 2)Se adhieren varios modelos a un bebedero para formar
el modelo de árbol, 3) El modelo de árbol se recubre con una capa delgada de
metal refractario, 4) Se forma el molde entero cubriendo el árbol revestido con
suficiente material para hacerlo rígido, 5) El molde se sostiene en posición
invertida y se calienta para fundir la cera, 6) Se vacía al molde el metal fundido,
7) El molde se rompe y se separa de fundición terminada

3.- FUNDICION EN MOLDE PERMANENTE:
La fundición en molde permanente usa un
molde metálico.
Construido en dos secciones que están
diseñadas para abrir y cerrar con precisión
y facilidad.
Los moldes se hacen comúnmente de acero
o hierro fundido.
Los metales que se funden comúnmente en
molde permanente son aluminio, magnesio,
aleaciones de cobre y hierro fundido.

El molde permanente tiene buen acabado
superficial y control dimensional estrecho.
El proceso esta limitado generalmente a
metales de bajo punto de fusión.
Debido al costo sustancial del molde el
proceso se adapta mejor a producciones
de alto volumen que puedan automatizarse.

Fig. Pasos en la fundición en molde permanente: (1) el molde se precalienta y
se recubre; (2) se insertan los corazones y se cierra el molde; (3) el metal
fundido se vacía en el molde; (4) el molde se abre y (5) la pieza terminada se
muestra.

Fig. Fundición a baja presión. El diagrama muestra como se usa la
presión del aire para forzar el metal fundido, dentro de la cuchara
de colada, hacia la cavidad del molde. La presión se mantiene hasta
que solidifica el metal

FIG. Fundición en dados, el metal fundido se inyecta al molde
a alta presión de 10000 – 50000 Lb/pulg2.

FIG. Fundición centrifuga el metal fundido se vacía en un molde que
esta girando para producir una parte tubular Ejm tubos , caños,
manguitos y anillos

Fig. Fundición centrifuga en
molde permanentes

2.8.- PRACTICA DE LA FUNDICION

En todos los procesos de fundición debe
calentarse el metal hasta el estado fundido para
poderlo vaciarlo al molde.
El calentamiento y la fusión se realizan en hornos.
Los tipos de hornos que se emplean con mayor
frecuencia en los talleres de fundición son:
Cubilotes.
Hornos calentados a fuego directo.
Hornos de crisol.
Hornos de arco eléctrico.
Hornos de inducción.

CUBILOTES:
Horno cilíndrico vertical equipado con un bebedero de
sangrado cerca de su base.
Este tipo de horno se utiliza solamente para hierro
fundido.
La carga esta constituida por hierro, coque, fundente y
otros elementos de aleación.
El coque constituye el comustible para calentar el
horno.
El fundente es cal compuesto alcalino que reacciona
con la ceniza del coque y otras impurezas para formar
la escoria.

Fig. Cubilote para fundición de hierro

HORNOS CALENTADOS A FUEGO
DIRECTO:
Contiene un pequeño hogar abierto donde se
calienta la carga de metal
El quemador se localiza a un lado del horno
El combustible es gas natural, los productos de
la combustión salen del horno a través de una
chiminea.
Estos tipos de hornos se usan generalmente
para fundir metales no ferrosos como aleaciones
de cobre y aluminio.

Fig. Horno calentados a fuego directo

HORNOS DE CRISOL:
En estos hornos se funde el metal sin
entrar en contacto directo con los gases
de combustión.
También se les denomina hornos
calentados indirectamente.
Se usan para metales no ferrosos como
bronce, latón , aleaciones de zinc y
de aluminio.

Fig. Tres tipos de hornos de crisol (a) Crisol móvil,
(b) Crisol estacionario, (c) Crisol basculante

HORNO DE ARCO ELECTRICO:
Se funde por el calor generado en un arco
eléctrico.
Consumo de potencia es alto.
Pueden diseñarse para altas capacidades
25 – 50 Ton/hr.
Se usan principalmente para fundición de
acero.

HORNOS DE INDUCCION:
Usa corriente alterna a través de una bobina que genera un
campo magnético en el metal, causa un rápido calentamiento
y la fusión del metal.
El campo de fuerza electromagnética provoca un una acción
de mezclado en el metal liquido.
El metal no esta en contacto con ningún elemento de
calefacción se controla el ambiente en el lugar la fusión.
El fundición es de alta calidad y pureza.
Los hornos de inducción se usan para cualquier aleación
cuyos requerimientos de calidad son importantes.
Sus aplicaciones son para fundir aleaciones de acero, hierro
y aluminio.

HORNO ELECTRICO DE INDUCCION
Bobinas de
inducción de cobre
Material refractario
Metal fundido
Piquera de
vaciado

DEFECTOS DE LA FUNDICION: Existen
defectos comunes en todos los procesos
de fundición .
a.- Llenado incompleto
b.- Junta fría
c.- Metal granoso o gránulos fríos
d.- Cavidad por contracción
e.- Microporosidad
d.- Desgarramiento caliente

(a).- Llenado incompleto (b).- Junta fría
(c).- Metal granoso o gránulos fríos (d).- Cavidad por contracción

(e).- Microporosidad
(d).- Desgarramiento caliente

DEFECTOS DE LA FUNDICION EN ARENA:
Algunos de los principales defectos que
ocurren en la fundición en arena.
a.- Sopladuras
b.- Puntos de alfiler
c.- Caídas de arena
d.- Costras
e.- Penetración
f.- Corrimiento del molde
g.- Corrimiento del corazón
h.- Molde agrietado( venas y relieve)

(a).- Sopladuras (b).- Puntos de alfiler (c).- Caídas de arena
(d).- Costras (e).- Penetración (f).- Corrimiento del molde
(g).- Corrimiento
del corazón
(h).- Molde agrietado
(venas y relieve)

HORNO DE CRISOL
Castable Extra.
Castable Super
•Repsa.
Dialite
Alusite.
•Plástico Super CS.
Plástico CORALITE
•Ladrillo Aislante.
1."Crisol"

INSTALACIONES COMPLETAS DEL ALTO HORNO

Horno eléctrico
de inducción
Horno eléctrico
de arco directo
Horno eléctrico
de arco indirecto

Horno de Inducción
• Utilizan una corriente inducida que circula por una bobina que
rodea a un crisol en el cual se funde la carga.
• La corriente es de alta frecuencia y la bobina es enfriada por
agua, la corriente es de aproximadamente 1000 Hz, la cual es
suministrada por un sistema de motogenerador
• Estos hornos se cargan con piezas sólidas de metal, chatarra de
alta calidad o virutas metálicas.
• El tiempo de fusión toma entre 50 y 90 minutos, fundiendo
cargas de hasta 3.6 toneladas.
• Los productos son aceros de alta calidad o con aleaciones
especiales

HORNO DE ARCO ELECTRICO
TAPA REMOVIBLE
ELECTRODOS
METAL FUNDIDO
VERTEDERO DE SANGRADO

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