Caracterizacion de Los Procesos de Fundicion

CARACTERIZACION DEL PROCESO DE FUNDICION DE METALESINTEGRANTES MANUEL ESCOBAR MARTINEZ JOHN LEWIS OLMOS BRU JONATHAN GONZALEZ GUZMAN VANESSA ESPEJO ORTIZ INGENIERIA INDUSTRIAL SEMESTRE FUNDACION UNIVERSITARIA TECNOLOGICO COMFENALCO CARTAGENA,19 DE MARZO DE 2018 INTRODUCCIÓN Las fundiciones son unos de los procesos más antiguos en el campo de trabajo de los metales, la fundición o colada, es el proceso de formar objetos vertiendo liquido o material viscoso en un molde, una colada es un objeto formado al permitir que el material se solidifique. Tienen aplicaciones en todas aquellas piezas de grandes y pequeñas dimensiones, de formas simples y complicadas, economizan costos de fabricación, son en general de fácil mecanizado, absorben las vibraciones mejor que los aceros; según la técnica de fundición se pueden obtener piezas de perfecto acabado y de dimensiones precisas a reducidos costos. Aunque sus propiedades mecánicas son inferiores a las de los aceros sustituyen a éstos con ventajas en múltiples aplicaciones. En el proceso de fundición es necesario seguir una serie de pasos previos a la operación como tal: primero debe elaborarse el plano de ingeniería, en el cual se representan las dimensiones de la pieza y las propiedades del material; luego, el plano de modelería, que presenta todas las modificaciones que se le deben realizar al plano anterior; y por último, se obtiene el plano de fundición con lo cual se define la manera, con pasos específicos, de moldear la pieza. Como se verá más adelante, los procesos que incluyen la colada en arena, bien sea utilizada natural o sintéticamente, son los más comunes; las razones se expondrán más adelante. Igualmente se recalcará la importancia del tomar ciertas medidas de seguridad para el óptimo desarrollo del proceso en todos los sentidos. En general, en el presente informe se logran reunir todos aquellos conocimientos básicos necesarios que se requieren para realizar esos procesos tan amplios para la obtención de piezas sin arranque de viruta, a través del moldeo en verde y otros procesos especiales como lo son el Shell molding y el CO2 más silicato de sodio. LA FUNDICIÓN EN MOLDES DE ARENA La fundición es una de las primeras tecnologías utilizadas para la fabricación de producción de productos de origen metálico. Aproximadamente desde el siglo VII a.C. se fabrican productos de fundición evolucionando desde utensilios básicos para ornamentación y seguridad, hasta complejas geometrías de turbinas hidráulicas. Esto ha generado una gran tradición y especialización en la producción de piezas cada vez más complejas. Aunque desde sus comienzos hasta estos últimos siglos la fundición se ha centrado en metal como material de fundición, se ha ampliado su aplicación a otras familias de materiales. La fundición consiste en una serie de operaciones mediante las cuales se obtiene un molde que reproduce la forma de la pieza a fabricar y en el que se vierte el metal en el interior de un molde previamente fabricado. Se emplea fundamentalmente en piezas como motores, cigüeñales, componentes de turbinas hidráulicas, trenes de aterrizajes para aviación, entre otras. El material del molde marca en gran medida las características generales del proceso de fundición. Existen varias clasificaciones de moldes en función del tipo de material que se utilice: Moldes desechables - Moldes de arena - Moldes de yeso - Moldes de cerámicas - Fundición a la cera perdida - Fundición en modelo evaporativo Moldes permanentes - Moldes metálicos (alta resistencia a la temperatura) Moldes compuestos (combinaciones de distintos materiales como arena, metal, etc. obteniéndose propiedades distintas y utilizándose distintas tecnologías en su generación). se pueden apreciar diferentes características de algunos de los procesos mencionados anteriormente. Dentro de todas las variantes existentes en la fundición en arena la más común de ellas es la fundición de arena en verde que consiste en la fabricación del molde, siendo este de una mezcla de arena de sílice en un 80  90 % y bentonita a 4  9 % humedecida en un 9 %. La arena de sílice concede la refractariedad necesaria para resistir las altas temperaturas de trabajo a la hora del vaciado de la colada. La cohesión la brinda el contenido de agua e impurezas aportado a la mezcla la cual permite la durabilidad y resistencia necesaria para la conservación del molde sin fragmentarse. En este capítulo se expondrán las características fundamentales del proceso de fundición empleando moldes de arena en verde. Proceso Material Peso (kg) Acabado Porosidad Complejidad Precisión Espesor a fundir superficial (*) de forma (*) dimensional de la Ra [μm] (*) sección (mm) Mín. Máx. Mín. Máx. Arena Todos 0,05 Sin 12,5-25 4 1-2 3 3 Sin límite límite Moldeo en Todos 0,05 100+ 6,3 4 2-3 2 2 - cascara Modelo Todos 0,05 Sin 5-20 4 1 2 2 Sin desechable límite límite Molde de No ferroso 0,05 50+ 1-2 3 1-2 2 1 - yeso Cera perdida Todos 0,05 100+ 1,6 3 1 1 1 75 Molde Todos 0,05 300 2-3 2-3 3-4 2 2 50 permanente Troquel No ferroso 0,05 50 1-2 1-3 3-4 1 0.5 12 Centrífugo Todos 0,05 5000+ 2-20 1-2 3-4 3 2 100 Moldeo en arena en verde Se trata de un procedimiento puramente artesanal en el que la habilidad del moldeador es fundamental en el resultado final de la pieza, requiere gran especialización para un óptimo resultado. Básicamente consiste en el vaciado del metal fundido en un molde de arena que reproduce un modelo de la pieza que se desea, dejar que se produzca la solidificación y enfriamiento para posteriormente proceder al desmoldeo y obtener la pieza. Este procedimiento requiere de instrumentación y técnicas particulares, así como una teoría aplicable en el diseño de cada uno de los sistemas involucrados. Los principales errores son: Errores de moldeo. Errores en las dimensiones del molde. Contracción anómala y distorsión en el enfriamiento. Acabado. El modelo se debe diseñar reproduciendo fielmente la forma exterior de la pieza a fabricar y teniendo en cuenta aspectos como su disposición en el molde, sobredimensionado y la necesidad de la colocación de machos para dar formas interiores. Los moldes se suelen dividir en varias partes, generalmente en dos, una parte superior que dará forma al Estudio de la influencia de diferentes diseños de los sistemas de alimentación y compensación en la fundición en arena. La fundición en moldes de arena 7 molde de la caja superior y otra que lo hará en el molde de la caja inferior. Estos suelen estar construidos de madera, plástico o metal. La norma UNE EN 12890:2001 establece las distintas calidades de los moldes en función de los materiales que estén constituidos. La madera es el material más común por su facilidad en la generación del modelo. El recubrimiento de su superficie con una fina capa de pintura facilita su extracción pues evita su adhesión con la arena en verde, confiriendo además impermeabilidad. Materiales de moldeo El molde de arena se fabrica con la llamada mezcla de moldeo, que consiste en una mezcla de materiales inorgánicos (arena de sílice y aglutinante arcilloso), con cierta cantidad de agua. Según la composición se pueden clasificar en: - Básicos - Arenas de moldeo (arena sílice SiO2, arena de zirconio ZrSiO4, arena de cromita FeO·Cr2O3). - Arcillas de moldeo (arcillas refractarias, arcillas illítcas, arcillas montomorilloníticas (bentonita)). - Auxiliares - Aglutinantes (aceites vegetales, resinas sintéticas, vidrio líquido, cemento, etc.). - Los que evitan la adherencia del material de modelo o la pieza mejorando el acabado superficial (grafito). - Los que evitan la adherencia del material de moldeo al modelo (talco, yeso, polvo de sílice, petróleo (modelos metálicos). - Los que ayudan a mejorar la permeabilidad (serrín de madera, cisco de coque). Otras clasificaciones de los materiales de moldeo son las siguientes: - Según su utilización - Para moldes - Para machos - Según el estado del molde - Para molde húmedo - Para molde seco - Según el tipo de arena empleada - Naturales - Sintéticas -Según el tipo de moldeo empleado - Para moldeo manual - Para moldeo a máquina -Según el tipo de aleación de la pieza - Para acero - Para hierro fundido - Para metales no ferrosos FUNDICIÓN EN MOLDE PERMANENTE La fundición en molde permanente usa un molde metálico construido en dos secciones que están diseñadas para cerrar y abrir con precisión y facilidad. Los moldes se hacen comúnmente de acero o hierro fundido. La cavidad junto con el sistema de vaciado se forma por maquinado en las dos mitades del molde a fin de lograr una alta precisión dimensional y un buen acabado superficial. Los metales que se funden comúnmente en molde permanente son: aluminio, magnesio, aleaciones de cobre y hierro fundido, Sin embargo, el hierro fundido requiere una alta temperatura de vaciado, 1250 ºC a 1500 ºC, lo cual acorta significativamente la vida del molde. Las temperaturas más altas de vaciado para el acero, hacen inapropiado el uso de moldes permanentes para este metal, a menos que se hagan en moldes de material refractario. En este proceso es posible usar corazones para formar las superficies interiores del producto de fundición. Los corazones pueden ser metálicos, pero su forma debe permitir la remoción de la fundición, o deben ser mecánicamente desmontables para permitir esta operación. Si la remoción del corazón metálico es difícil o imposible se pueden usar corazones de arena, en este caso el proceso de fundición es frecuentemente llamado fundición en molde semipermanente. GENERALIDADES -Se usan moldes metálicos que se reutilizan muchas veces. - Los metales que usualmente se funden en moldes permanentes son el estaño, plomo, zinc, aluminio, cobre y aleaciones ferrosas cuando se usan moldes refractarios. - Se pueden utilizar corazones metálicos (reutilizables) o de arena (desechables). En este caso se denomina al proceso fundición en molde semi-permanente. - Durante el proceso, las caras interiores de los moldes se recubren con lubricantes o barros refractarios con el fin de controlar la temperatura de la superficie del molde y facilitar el retiro de la pieza. - Se obtiene buen acabado superficial y control dimensional estrecho y buenas propiedades mecánicas debido a que el enfriamiento rápido produce una estructura de grano fino. - No se pueden realizar formas tan complejas como las posibles con molde desechable debido a la necesidad de abrir el molde. - El costo inicial del molde se justifica en series de producción grandes con el menor costo por pieza. FUNDICIÓN EN MATRICES A ALTA PRESIÓN CARACTERÍSTICAS: -Un émbolo fuerza el material dentro de la cavidad del molde -Presiones moderadas a elevadas - Buena precisión dimensional y definición de detalles superficiales (formas intrincadas y paredes delgadas) - Piezas de hasta 25 kg -Velocidad de producción elevada - Aplicaciones típicas: componentes de motores, electrodomésticos, herramientas de mano, juguetes. -Dos procesos básicos: – Cámara caliente – Cámara fría Proc FUNDICIÓN A PRESIÓN La fundición a presión es un proceso que necesariamente utiliza moldes permanentes y se puede clasificar en: fundición a baja presión, fundición con molde permanente al vació y fundición en dados. FUNDICIÓN A BAJA PRESIÓN: En el proceso de fundición con molde permanente básico y en la fundición hueca, el flujo de metal en la cavidad del molde es causado por la gravedad. En la fundición a baja presión, el metal líquido se introduce dentro de la cavidad a una presión aproximada de 0.1 MPa, aplicada desde abajo, de manera que el metal fluye hacia arriba como sé, ilustra en la figura 2.19. La ventaja de este método sobre el vaciado tradicional es que se introduce en el molde un metal limpio desde el centro del crisol, en lugar de un metal que ha sido expuesto al aire. Lo anterior reduce la porosidad producida por el gas y los defectos generados por la oxidación, y se mejoran las propiedades mecánicas. FUNDICIÓN CENTRÍFUGA La fundición centrífuga se refiere a varios métodos de fundición caracterizados por utilizar un, molde que gira a alta velocidad para que la fuerza centrífuga distribuya el metal fundido en las regiones exteriores de la cavidad del dado. El grupo incluye: 1) fundición centrífuga real, 2) fundición semicentrífuga y 3) fundición centrifugada o centrifugado. Fundición centrífuga real En la fundición centrífuga real, el metal fundido se vacía en un molde que está girando para producir una parte tubular. Ejemplos de partes hechas por este proceso incluyen tubos, caños, manguitos y anillos. El metal fundido se vacía en el extremo de un molde rotatorio horizontal. La rotación del molde empieza en algunos casos después del vaciado. La alta velocidad genera fuerzas centrífugas que impulsan al metal a tomar la forma de la cavidad del molde. Por tanto, la forma exterior de la fundición puede ser redonda, octagonal, hexagonal o cualquier otra. Sin embargo, la forma interior de la fundición es perfectamente redonda (al menos teóricamente), debido a la simetría radial de las fuerzas en juego. - Para el proceso de fundición en molde de arena, describa la secuencia de las actividades requeridas en el proceso. Ciclo del proceso La primera etapa del proceso de fundición en arena consiste en la construcción del molde para la fundición. Por tratarse de un proceso de molde desechable, esta etapa debe realizarse en cada fundición. El molde de arena se construye mediante el vertimiento y compactado de arena en cada mitad del molde. La arena se compacta alrededor del modelo, que es una réplica de la forma externa de la pieza de fundición. Cuando se retira el modelo, la cavidad donde ser formará la pieza de fundición permanece. Cualquier característica de la pieza de fundición que no pueda ser creada en el modelo se forma en núcleos separados que se fabrican en arena antes de la creación del molde. El tiempo de creación del molde incluye el posicionamiento del molde, la compactación de la arena y la extracción del modelo. El tiempo de creación del molde depende del tamaño de la pieza, la cantidad de núcleos y el tipo de molde de arena. Si el tipo de molde requiere tiempo de calentamiento u horneado, el periodo de creación del molde aumenta sustancialmente. Además, generalmente se aplica lubricación a las superficies de la cavidad del molde para facilitar la extracción de la pieza de fundición. El uso de lubricantes también mejora el flujo del metal y puede mejorar el acabado de la superficie de la pieza de fundición. El lubricante utilizado se selecciona con base en la temperatura de la arena y del metal fundido. Sujeción: Una vez que el molde se ha creado, este se debe preparar para el vertimiento del metal fundido. La superficie de la cavidad del molde se lubrica en primer lugar para facilitar la extracción de la pieza de fundición. Luego se colocan en su sitio los corazones, se unen las mitades del molde y se sujetan. Es fundamental que las mitades del molde permanezcan firmemente cerradas para evitar cualquier pérdida de material. Vaciado: metal fundido se mantiene en un horno a una temperatura establecida. Después de sujetar el molde, se vacía en el molde el metal fundido mediante un cucharón desde su recipiente de contención en el horno. El vaciado se puede efectuar manualmente o mediante un mecanismo automático. Se debe vaciar suficiente metal fundido hasta llenar la cavidad completa y todas las canaletas del molde. El tiempo de llenado es muy corto a fin de prevenir la solidificación prematura de alguna parte del metal. Enfriamiento: El metal fundido que se ha vaciado en el molde empezará a enfriarse y a solidificarse cuando penetre en la cavidad. Una vez que se llene la cavidad y se solidifique el metal fundido, se tendrá la forma final de la pieza de fundición. No se puede abrir el molde hasta que haya terminado el periodo de enfriamiento. El periodo de enfriamiento ideal se puede calcular con base en el espesor de la pared de la pieza de fundición y la temperatura del metal. Muchos de los posibles defectos pueden ser consecuencia del proceso de solidificación. Si parte del metal fundido se enfría demasiado rápido, la pieza puede presentar encogimiento, grietas o secciones incompletas. Se deben tomar medidas preventivas en el diseño de la pieza y del molde. Extracción: Después de transcurrido el tiempo predeterminado de solidificación, el molde de arena puede simplemente romperse y extraer la pieza de fundición. Esta etapa a veces conocida como sacudida o desmoldeo, se realiza generalmente con una máquina vibradora que agita la arena y rompe el molde. Después de su extracción, la pieza de fundición posiblemente tendrá algo de arena y capas de óxido adheridas a la superficie. A veces se utiliza el granallado para retirar los restos de arena, especialmente de superficies internas y para reducir la rugosidad de la superficie. Recorte: Durante el enfriamiento, el material en las canaletas del molde se solidifica unido a la pieza. Este material sobrante debe recortarse de la pieza de fundición bien sea de forma manual por medio del corte o aserrado o con la ayuda de una prensa de corte. El tiempo necesario para recortar el material sobrante se puede calcular por el tamaño de la cubierta de la pieza de fundición. Una pieza de mayor tamaño necesitará un tiempo mayor de recorte. El material sobrante de este recorte se puede desechar o volver a utilizar en el proceso de fundición en arena. Sin embargo, el material de desecho puede requerir un reacondicionamiento de la composición química antes de poder combinarlo con material no reciclado y volver a utilizarlo. - Describa las funciones de cada uno de los componentes básicos del molde de arena. Del diseño, proporcionado por un ingeniero o diseñador, un fabricante especializado construye un modelo del objeto para ser producido, utilizando madera, metal, o un plástico como el poliestireno. El metal para ser vaciado se contraerá durante solidificación, y esto puede ser irregular debido a enfriamiento desigual. Por tanto, el diseño tiene que ser ligeramente más grande que el producto que se desea, una diferencia sabida cuando margen de contracción. FUNDICIÓN EN ARENA EN GENERAL La fundición en arena se utiliza para producir una amplia variedad de componentes de metal con geometrías complejas. Estas piezas pueden variar enormemente en tamaño y peso, desde un par de onzas hasta varias toneladas. Algunas piezas pequeñas de fundición en arena incluyen engranajes, poleas, cigüeñales, bielas y hélices. Las aplicaciones de mayor magnitud incluyen bastidores para equipos grandes y bases para maquinaria pesada. La fundición en arena también se usa frecuentemente en la producción de componentes automotrices como bloques de motor, colectores de gases de escape, cabezales de cilindro y cajas de transmisión. Capacidad Típica Factible Formas: De paredes muy finas: Plana Capacidad Típica Factible Compleja De paredes muy finas: Sólida: Cilíndrica Cilíndrica Sólida: Cúbica De paredes muy finas: Sólida: Compleja Cúbica Tamaño de la Peso: 1 oz – 450 ton pieza: Metales, acero aleado, acero al carbono, hierro Materiales: fundido, acero inoxidable, Plomo, estaño, titanio y zinc aluminio, cobre, magnesio y níquel Acabado de 300 – 600 μin 125 – 2000 μin superficie – Ra: Tolerancia: ± 0,03 pulgadas ± 0,015 pulgadas Espesor máximo 0,125 – 5 pulgadas 0,09 – 40 pulgadas de pared: Cantidad: 1 – 1000 1 – 1.000.000 Tiempo de Días Horas elaboración: · Puede producir piezas de gran tamaño · Puede realizar formas complejas · Muchas opciones de materiales · Costos bajos de utillaje y equipo Ventajas: · La chatarra se puede reciclar · Posibilidad de un corto tiempo de elaboración Desventajas: · Baja resistencia del material · Posibilidad de alta porosidad Capacidad Típica Factible · Baja tolerancia y acabado de superficie · A menudo se requiere la mecanización secundaria · Baja tasa de producción · Alto costo de mano de obra Bloques y cigüeñales de motor, bases para maquinaria, Aplicaciones: engranajes y poleas BIBLIOGRAFIA http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/60372/fichero/PFC+Jose+2+La+fundici %C3%B3n+en+arena.pdf http://materias.fi.uba.ar/7204/teoricas/Fundicion%20en%20molde%20permanente.pdf http://materias.fcyt.umss.edu.bo/tecno-II/PDF/cap-226.pdf http://materias.fcyt.umss.edu.bo/tecno-II/PDF/cap-222.pdf https://www.slideshare.net/ProcesosManufactura/arena-seca https://es.wikipedia.org/wiki/Fundici%C3%B3n_a_la_arena#Componentes CONCLUSION En la tecnología de fundición en arena en verde es muy importante la elección de las características de los sistemas involucrados en la alimentación y compensación y su influencia en los defectos de contracción en las piezas. Los diferentes elementos diseñados y fabricados han puesto de manifiesto en la mayoría de los casos la coincidencia con los aspectos teóricos y los resultados experimentales. Es de destacar la gran variedad de diseños de los sistemas estudiados que aportan al estudio un gran número de datos para el análisis del modelo, permitiendo resolver los principales problemas que la teoría de fundición predice para piezas similares. Otro factor importante es la elección del material de colada ya que condiciona las dimensiones de todos los sistemas. En este sentido, dado que el material de trabajo es el estaño que no es común encontrarlo en las referencias bibliográficas, se dificulta la tarea del diseñador y ha sido necesario un estudio más profundo. Para trabajar con estaño ha sido necesario una primera aproximación con el acero que arrojase datos posibles que permitiesen ajustar los valores de las constantes de la ecuación de Mikhailov al estaño por medio de la experimentación y comparación teórica. Se han determinado las constantes de la ecuación de Mikhailov que permiten calcular el valor del tiempo de llenado para el estaño, clave para el correcto dimensionado del sistema de alimentación. Los resultados de las simulaciones difieren de los resultados experimentales, aunque en términos generales arrojan resultados aproximados de los posibles fallos en la reproducción del modelo y de los posibles errores de dimensionado de los sistemas involucrados. Es de destacar que en aquellos puntos en los que la teoría de fundición predice posibles defectos por rechupe apareció este defecto, salvo en algunas excepciones. Esto se debe a la falta de variables de cálculo que los programas disponen para el material de trabajo.