Procesos de Fundición

Unidad N°2: Procesos de Fundición

En el campo de las fundiciones de metales, las más difundidas son las fundiciones de los materiales ferrosos, es decir que su principal componente es el Hierro, no obstante, en los últimos años se han incrementado notablemente el uso de piezas fabricadas con metales no ferrosos tales como el Aluminio, Titanio, Magnesio, Plomo, Cobre, Cinc.

Las fundiciones ferrosas pueden definirse como aleaciones formadas por Hierro, Carbono y Silicio, acompañadas de porcentajes variables de Manganeso, Fósforo y Azufre, estos dos últimos elementos son impurezas no deseadas muy difíciles de eliminar.

En una composición química típica de una fundición de buena calidad, el Carbono varía entre 2,5 y 4

%, el Silicio desde 1,20 al 3,15 %, el Manganeso entre el 0,50 y 1,80% , por último las impurezas de Azufre y Fósforo no deben superar el 0,018 % máximo cada uno.

Durante el proceso de enfriamiento y solidificación de las fundiciones ferrosas, el principal elemento de aleación, que es el carbono, forma láminas de grafito que dan origen a una matriz discontinua que hace decaer la resistencia mecánica con respecto a los aceros, no obstante, son de gran utilidad, prácticas y económicas para muchas aplicaciones industriales.

Las fundiciones ferrosas se estudian en el campo correspondiente del Diagrama Fe-C estable, es decir, en aquel que se obtiene para analizar aleación con más de 1,5 % de Si.

Es la fabricación de piezas metálicas de una forma y tamaño definidos, fundiendo un metal o aleación y vertiéndolo en moldes construidos previamente, es la técnica que se designa con el nombre de conformación por moldeo.

Al principio pareciera ser un método en teoría simple: el metal/aleación se calienta hasta una temperatura ligeramente mayor a su punto de fusión (temperatura de liquidus) y posteriormente se vierte en un molde (o matriz) para que se solidifique tomando la forma de este.

Tenemos estado líquido a temperaturas elevadas, y a medida que la temperatura va descendiendo tiene una meseta de solidificación que comienza y termina y tiene el proceso de solidificación total a temperatura ambiente.

En el punto de nucleación completa no tengo forma de retroceder, acá se empieza a solidificar el total de una pieza.

Para que esto sucede perfectamente debemos tener previamente una buena elección de los materiales, del moldeo, diseño de fundición.[pic 1]

La fundición de metales es uno de los procesos de fabricación más conocidos e implica verter el metal fundido en un molde o matriz para obtener la forma deseada. Es el método que más se adapta.

No hay limitaciones en el tamaño de las piezas que puedan colarse, variando desde pequeñas piezas con peso en gramos hasta grandes piezas de varias toneladas.

Este método, es el más adaptable para dar forma a los metales y muchas piezas que son imposibles de fabricar por otros procesos convencionales como la forja, laminación, etc. y dan solución al requerimiento de producir piezas complejas y de diferentes tamaños para diversas aplicaciones industriales.

Características de las piezas fundidas

Las piezas pueden ser fundidas en aleaciones de metales ferrosos o no ferrosos, pero obtenidas únicamente por procesos de moldeo y colado.

• No admiten deformaciones plásticas (permanentes): laminado, forjado, acuñado, estampado (porque hay altos riesgos de que se generen grietas)
• Si pueden ser tratadas térmicamente: recocido (ablandar), normalizado, temple y revenido para mejorar sus propiedades físicas y mecánicas y si se pueden soldar.

Las ventajas de las piezas obtenidas por fundición son las siguientes:

• Más económicas que las obtenidas por otros procesos
• Buena mecanizabilidad
• Se obtienen piezas de formas complicadas y gran tamaño, prácticamente terminadas.
• Buena resistencia al desgaste, al tener elementos de aleación estos generan un tipo de conveniencia.
• Absorben muy bien las vibraciones. Esto es a causa de la estructura del grafito laminar que haceque se disipen las vibraciones internas en cuanto a trabajos dinámicos y estáticos.
• Su fabricación exige menos precauciones que otros procesos de obtención.

Las desventajas más destacables son:

• Requieren de la fabricación de un moldeo e instalaciones especiales de moldeo y fusión. Tenemos que tener instalaciones específicas para el moldeo, para la materia prima, por lo que son instalaciones muy grandes.
• Resistencia mecánica inferior a las obtenidas por otros procesos.
• Elevado costo para piezas chicas de baja serie.

Las piezas fundidas de mayor aplicación son las que utilizan aleaciones de hierro - carbono con o sin elementos de aleación, obtenidas por colado por gravedad.

Los principales elementos de aleación utilizados en la composición de las fundiciones, tienden a mejorar sus propiedades físicas y mecánicas, en general se utiliza Si, Mn, Cu y Cr, agregados en forma de aleaciones madres de Fe-Si, Fe-Mn, Fe-Cr y Cu o Cu-Sn metálico, todos en trozos tamaño nuez o en forma de granulados de dimensiones variables.

En los últimos años, ha aumentado la demanda de piezas de metales no ferrosos, principalmente de Aluminio, Cobre y Titanio, fabricadas partiendo del metal líquido inyectado o colado por centrifugado en moldes o matrices permanentes, fabricado de aceros de medio Carbono o de media aleación con Cr que reciben el nombre de coquillas.

Se han desarrollado diversas combinaciones de materias primas para producir diversos tipos de metales. Muchas de las propiedades y características que la fundición finalmente adquiera, dependerá del tipo de aleaciones seleccionado para cada proceso.

Entre ellos destacaremos:

Aleaciones ferrosas:

• Son aleaciones Fe,C,Si acompañada de otras aleaciones NI,cR,,Mo,V,Mn (para fundiciones de usos específicos)
• La composición química típica de la fundición de buena calidad es: C 2,5 a 4% - Si 1,2 a 3,15% - Mn 0,5 a 1,8%. S y P no deben superar 0,018% max cada uno.
• Más difundidas

Aleaciones no ferrosas: últimamente van reemplazando a las ferrosas.

• Aleaciones de aluminio para piezas coladas
• Con composiciones químicas de Si de 5 al 12% Cu del 1 al 4% Mg del 0,5 al 1,5 %
• Con el agregado de otros componentes de usos específicos: % de Ni, Cr, Ti, Fe.

Características de la estructura interna del material

Durante el enfriamiento y solidificación de las fundiciones ferrosas, el principal elemento de aleación, que es el C (2 al 4%), forma láminas de grafito que dan origen a una matriz discontinua que hace decaer la resistencia mecánica con respecto a los aceros.

Clasificación de fundiciones no ferrosas

Se las designa según el principal elemento que constituye la matriz:

• Fundiciones de Mangnesio
• Fundiciones de Aluminio
• Fundiciones de Titanio, etc.

Clasificación de fundiciones ferrosas

De acuerdo con la apariencia de su fractura, las fundiciones de Fe pueden ser Blancas

• Composición: Sí inferior al 1% - Mn superior 0,6% (Si - y Mn +)
• Obtenidas por enfriamiento muy rápido - Estructura cristalina de granos finos alargados
• Duro - Frágil
• Principal constituyente la cementita
• Buena resistencia a la fricción y desgaste
• Poco usadas en la actualidad (por ej se usa en la industria extractiva algunas caras de las trituradoras)
• Si tomo probeta y fracturó veo matriz blanca con puntos brillantes que es cementita con carburo de Fe.

Atruchadas

• Composición: Si entre 1 y 1.5% (fundición intermedia, Si + a la blanca y - que la gris; muy poco Mn).
• Enfriamiento rápido
• Buena resistencia a la fricción
• Menos frágiles que las blancas; si se someten a TT sucesivos disminuye su fragilidad.
• De poca aplicación industrial
• Si la fracturo se ve parte con pintitas brillantes y parte más oscura

Grises

• Composición: Si superior al 1,5% a 3,5% , Mn inferior al 0,5% (Si +, Mn -)
• Enfriamiento lento (se regula con la subtemperaura que le doy al metal líquido y con las paredes del molde)
• El C se presenta en forma de grafito formando láminas
• Fractura color gris oscuro
• Más utilizadas y difundidas en la fabricación de piezas, principalmente en construcciones de estructuras de maquinaria, cuerpos de prensas y bancadas de tornos y fresas. Se usa mucho en piezas de la industria automotriz.
• Absorben bien las vibraciones - Aceptan TT

Gris aleada

• Similar a la anterior
• A la composición se agregan elementos como Cr, Ni, Cu, Mn, que mejoran las propiedades mecánicas
• Generalmente deben ser tratadas térmicamente para obtener mejores propiedades
• Gran aplicación

Nodular

• Para la obtención se parte de una gris de calidad (es decir de P - , S - y Mn controlado)
• El metal liquido en horno se lo trasvasa a otra cuchara o crisol que en la parte de abajo tiene un nodulizante de Ce-Mg (combinación de cerio magnesio) que favorece la formación de grafito en forma de nódulos esféricos. El nodulizante no termina formando parte de la aleación solamente produce durante un tiempo corto una reacción exotérmica que libera calor y salpicaduras disminuyendo la tensión superficial del líquido. El proceso no debe durar más de 2 min y hay que verter en otro molde (si dejo más tiempo pasa a ser laminar)
• Estos nódulos le confieren muy buena ductilidad y resistencia mecánica. Son más tenaces, tienen mayor capacidad de recibir esfuerzo.
• Pueden ser aleadas
• Aceptan ser sometidas a TT
• También gran aplicación

Aceros

• Por el proceso de fundición pueden obtener también piezas de acero de diferentes calidades
• Presentan el inconveniente de que el manipuleo del metal debe ser muy cuidadoso para prevenir la contaminación del mismo
• Como hay que trabajarlas a altas T, la cual es muy reactiva con el medio ambiente; en el horno se forma una capa y es un desperdicio.
• Las más usadas son las de acero inoxidable: acero-Cr-Ni (suman como un 35% entre ambos)

Tener en cuenta:

• Los principales elementos de aleación utilizados en la composición de las fundiciones, tienden a mejorar las propiedades físicas y mecánicas. En gral se utiliza Si, Mn, Cu y Cr, agregadas en forma de aleaciones madres todos en trozos de tamaño nuez o en forma de granulados y pocas veces como polvo fino. Aunque sean bajos los %, son bastantes caros así que tiene que justificarse la propiedad que quiero obtener.
• El Si ayuda a una formación de una estructura de grafito (laminar o nodular)
• Para una fundición de buena calidad el Mn debe estar en valores bajos. Mn se encuentra siempre con el hierro, aunque sean porcentajes muy bajos ya que es difícil y costoso de eliminar porque tienen una gran afinidad química.
• Cu y Cr buenos endurecedores
• Durante el enfriamiento y solidificación de las fundiciones ferrosas, el principal elemento C forma láminas de grafito que dan origen a una matriz discontinua que hace decaer la resistencia mecánica con respecto a los aceros.
• Las fundiciones ferrosas se estudian en el campo del Diagrama Fe-C estable, es decir aquel que se usa para analizar aleación con más de 1,5 de Si.
• Variable→ Velocidad de enfriamiento del metal. La velocidad de enfriamiento se calcula cuando se diseña el molde y los espesores de la pared del molde es lo que determina la velocidad de enfriamiento. Se puede controlar el enfriamiento en determinada dirección lo que permite darle una estructura más o menos resistente.

Modelos para fundición

Para la obtención de una pieza fundida:

1. Definición del diseño de la misma
2. Fabricación previa de un modelo parecido a la pieza que se desea obtener, pero no igual.
3. Pieza fundida

Las principales características que deben cumplir los modelos para la obtención de piezas fundidas:

Material

En la construcción de un modelo el material depende principalmente de la cantidad de piezas que se desean moldear y del sistema de moldeo que se utilice Debe tener muy buena mecanizabilidad, así encontramos aplicaciones de diferentes tipos de materiales:

Poliuretano expandido de alta densidad (mal llamado telgopor)

Expandido de alta densidad, fácil de cortar, moldear, pegar y dar formas complicadas. Muy usado para obtener piezas únicas o de grandes dimensiones, como la bancada de un torno, el cuerpo de una prensa o el contrapeso de una grúa.

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