Fundicion y Procesos

8/18/2019 Fundicion y Procesos

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ESCOLA POLITÈCNICA SUPERIOR D’ALCOIÀrea d’Enginyeria dels Procesos de Fabricació

Departament d’Enginyeria Mecànica i de Materials

Universitat Politècnica de València

Técnicas de Procesado de los

Materiales

El procesado de los materiales

metálicos. 1

El Procesado de los Materiales Metálicos.

Los materiales metálicos constituyen el núcleo más importante de losmateriales empleados, ya que satisfacen una amplia variedad de requisitos.

La importancia tecnológica y comercial de los metales y sus aleaciones sedebe fundamentalmente a:

• Alta rigidez y resistencia (*).• Tenacidad (*).

• Buena conductividad eléctrica.

• Buena conductividad térmica.• Presentan ciertas propiedades específicas muy adecuadas.• El coste por unidad de masa es bajo (*).

(*) En términos generales.


Materiales


metálicos. 2

El Procesado de los Materiales Metálicos.

Los materiales metálicos (metales y aleaciones) admiten un conjunto de posibles procesos de fabricación o transformación.

Materiales metálicos

Soldadura Pegado medianteadhesivos

FundiciónProcesado de

polvos

Conformado pordeformación

plástica

Conformado poreliminación de

material

Metal fundido Metal pulverizado

Metal trabajado o conformado


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Materiales


metálicos. 3

Fundición: fundamentos.

El proceso de fundición de metales y sus aleaciones consiste en elevar latemperatura del material por encima de sus punto de fusión, para que, enestado líquido, sea introducido en el seno de una cavidad (denominadamolde) donde se enfría, solidifica y adquiere la forma de dicha cavidad.


Materiales


metálicos. 4


El conformado por fundición presenta las siguientes características:

• Permite producir piezas de gran complejidad geométrica (tanto externacomo interna).

• Algunos procesos permiten obtener piezas terminadas, sin necesidad de

procesamiento posterior.• Abarca, sin problemas, cualquier tamaño de pieza.• Permite el empleo de cualquier metal o aleación (*).

• Algunos métodos se pueden adaptar para la producción en serie.• Algunos procesos tienen una baja precisión y un deficiente acabado

superficial.• Debido a su modo de operación, los riesgos laborales son elevados.

(*) Siempre que pueda ser fundido sin problemas.


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Materiales


metálicos. 5


El proceso de fundición se inicia con la generación del molde.

El molde puede estar fabricado en diferentes materiales y reproduce laforma exterior de la pieza a obtener, con un tamaño ligeramente mayor para

compensar la contracción por enfriamiento del material.


Materiales


metálicos. 6


Los procesos de fundición se dividen en dos grandes bloques, en funcióndel tipo de molde que se emplea:

• Procesos de molde desechable.(moldes de arena, yeso o materiales similares)

En estos casos, el molde debe ser fabricado cada vez que se desea obteneruna pieza por fundición, siendo destruido cuando se extrae la pieza

fabricada.

• Procesos de molde permanente.(moldes metálicos o cerámicos)

El molde es utilizado para la fabricación de una serie o lote de piezas, deforma que debe estar dividido en dos partes separables entre sí que permitan

extraer la pieza final de su interior.


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Materiales


metálicos. 7


Independientemente del tipo de molde, la cavidad presenta una serie decaracterísticas y elementos comunes.

Bebedero

Copa de vertido

Pozo

Canal de alimentación Mazarota

Pieza

Ataque


Materiales


metálicos. 8

Consideraciones sobre fusión y colada.

Para efectuar el proceso de fundición, el metal o aleación se calienta a unatemperatura ligeramente superior a la del punto de fusión.

La cantidad de calor necesaria para el proceso se estima con la siguienteexpresión:

No obstante, debe tenerse en consideración que:• Los calores específicos dependen de la temperatura: c = c(T)

• Las aleaciones funden entre un rango de temperatura (transición sólidus-líquidus).

• En un gran número de casos, los valores requeridos no son conocidos.• Existen pérdidas de calor durante el proceso.

( ) ( )fusióncoladalíquidofusiónofusiónsólidocoladamaterial TTccTTcVQ −++−⋅⋅ρ=


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metálicos. 9


El proceso de colada debe permitir que el material llene por completo lacavidad antes de que éste solidifique, y sin que se produzcan defectos en la

pieza final.

Este proceso se ve influido por:• La temperatura de colada (sobrecalentamiento del material).

• El tiempo de llenado y la velocidad de colada.• La turbulencia del flujo (dependiente de la velocidad del flujo a través de

la cavidad).


Materiales


metálicos. 10


La velocidad del flujo puede determinarse a través del teorema deBernoulli.

La expresión final que resulta para su aplicación al estudio delcomportamiento del metal a través del bebedero de colada es:

bebedero bebedero base

2

bebedero base bebedero hg2v ; g2

vh ⋅⋅=

⋅=

pérdidas

222

2

211

1 h

g2

v

g

ph

g2

v

g

ph +

⋅

+

⋅ρ

+=

⋅

+

⋅ρ

+


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metálicos. 11


El tiempo mínimo requerido para el llenado de la cavidad, se calcula como:

Si, además, se considera la ley de continuidad, el caudal volumétrico delmaterial que circula a través de la cavidad es:

Nota: Se hace referencia al tiempo mínimo, dado que se desprecian las pérdidas a través de los conductos dela cavidad.

Q

Vt cavidadllenado =

2211 AvAvQ ⋅=⋅=


Materiales


metálicos. 12


Respecto a la turbulencia, el llenado del molde debe realizarse con flujolaminar para evitar los atrapamientos de aire o de escorias, que el materialse vea alterado químicamente (óxidos), y que se produzcan erosiones en el

molde.

Para su evaluación se emplea el número de Reynolds:

Flujo laminar: Re < 2000Transición: 2000 < Re < 20000Flujo turbulento: Re > 20000

ηρ⋅⋅

=Dv

Re


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metálicos. 13

Consideraciones sobre la solidificación.El proceso de solidificación está influenciado por la composición delmaterial fundido: metal puro o aleación, de forma que la estructura

cristalina del material depende de dicha composición:

Metal puro Aleación Inoculación

Cristales columnares

Cristales equiaxiales


Materiales


metálicos. 14

Consideraciones sobre la solidificación.

Independientemente del material, se precisa de un tiempo para que elmaterial solidifique en el seno de la cavidad.

Para evaluar dicho tiempo se emplea la regla de Chvorinov:

La constante Cm depende de:• el material del molde.

• las propiedades térmicas del material.• la temperatura de colada.

2

toenfriamienmolde

2

cavidad

cavidadmoldeciónsolidifica MCA

VCt ⋅=

⋅=


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metálicos. 15


Otro aspecto a tener en consideración es la contracción que sufre elmaterial, que se produce en tres etapas:

• Contracción del líquido durante su enfriamiento (1).• Contracción de solidificación durante el cambio de fase (2).

• Contracción del sólido durante su enfriamiento (3).

(1) (2) (3)


Materiales


metálicos. 16


Valores orientativos de contracción para distintos metales y aleaciones:

Por solidificaciónPor enfriamiento en

estado sólidoAluminio 7 5,6

Cobre 4,5 7,5

Fundición de hierro gris 1,8 3

Fundición de acero 3 7,2

Aleaciones de aluminio 7 5

Bronce 5,5 6

Contracción volumétrica (%)

Metal / Aleación


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metálicos. 17


Para compensar los efectos de la contracción durante el proceso se debe:

• Prever el volumen suplementario de material para compensar lacontracción por enfriamiento del líquido y la de solidificación.

• Sobredimensionar el molde para compensar la contracción porenfriamiento del sólido.

• Introducir mazarotas para que mantengan la alimentación de materialfundido a la cavidad de la pieza durante la solidificación del material.

El diseño de las mazarotas debe responder a los siguientes aspectos:

• Debe tener el volumen mínimo necesario para así evitar mayoresdesperdicios de material.

• Debe tener un módulo de enfriamiento superior al de la cavidad (comoregla general, un 20% superior).


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Fundición en arena.

La fundición en arena es una técnica de moldeo de molde desechable,consistente en generar la cavidad a partir de un modelo de la pieza a obtener

y mediante la compactación y aglomeración de arena a su alrededor.


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metálicos. 19


Esta técnica es la más empleada para la fabricación de piezas por fundición,ya que:

• Permite la fabricación de piezas de cualquier tamaño (desde pocoscentímetros hasta varios metros).

• La capacidad de producción abarca desde piezas únicas hasta series demiles de piezas.

• Permite el uso de cualquier metal o aleación, incluso con elevados puntosde fusión (acero, titanio, níquel).

• Aunque la calidad superficial de las piezas obtenidas es, en general, baja,con el uso de ciertas variantes se pueden conseguir piezas prácticamente

acabadas, sin necesidad de un procesado posterior.


Materiales


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Las fases del proceso de fundición en arena son las siguientes:

Fabricación delmodelo

Fabricación delos machos e

insertos

Preparación de laarena

Fabricación delmolde

Montaje delmolde

ColadaFusión del

metal/aleación

Solidificación yenfriamiento

DesmoldeoLimpieza,

desbarbado einspección


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metálicos. 21


Diseño de pi eza Plac a modelo supe rio r Plac a model o in fe rio r

Alojamientos macho

Canales

Caja de machos MachoCaja superior lista

para relleno de arena

BebederoMazarotas

Caja

Caja superior moldeadaCaja inferior lista para

relleno de arena Caja inferior moldeada

Inserción del machoMontaje de cajas y colada

Pieza desmoldeadaPieza limpia y

desbarbada


Materiales


metálicos. 22

Fundición en arena: cajas de molde.


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Fundición en arena: colada.


Materiales


metálicos. 24

Fundición en arena: modelos.

El modelo es una reproducción de la pieza que se desea obtener fabricadacon un material de fácil procesado (madera, plástico, metal) y que se

emplea para generar la cavidad del molde.

Las consideraciones a tener en cuenta en la obtención del modelo son lassiguientes:• Debe tener un tamaño mayor que la pieza para compensar la contracción

por enfriamiento en estado sólido del material.• Debe presentar un ángulo mínimo de despulla para facilitar su extracción

de la cavidad una vez obtenida.• Debe incluir todos los elementos necesarios en la cavidad (bebedero,

canales de distribución, mazarotas, etc.)


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Materiales


metálicos. 25

Fundición en arena: modelos.

Modelo

Modelodividido

Modelo con placa para el moldeado

de ambas cajas

Modelo divididocon placa


Materiales


metálicos. 26

Fundición en arena: machos.

Los machos o noyos son elementos auxiliares que se emplean para generarlas superficies internas de la pieza a obtener y que no se pueden realizar

directamente sobre el molde.


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Materiales


metálicos. 27

Fundición en arena: machos.

Los machos o noyos se fabrican normalmente con arena, requiriendo tenerciertas características mecánicas y térmicas más severas que la arena del

molde.

Pueden requerir, en ciertas ocasiones, el empleo de elementos de sujeción para su colocación en el seno de la cavidad.

Soporte

Plano de partición

Molde

Cavidad MachoCavidad

MachoAlojamiento

del machoAlojamientodel macho


Materiales


metálicos. 28

Fundición en arena: arenas de fundición.

La arena de fundición es sílice o una mezcla de sílice con otros minerales.Los granos de arena se aglutinan por medio de una mezcla de agua y arcilla,

en una proporción aproximada de 90% arena, 7% arcilla, 3% agua.

En ciertas aplicaciones se sustituye la arcilla y el agua por otrosaglutinantes como resinas orgánicas (p.e., resinas fenólicas) o aglutinantesinorgánicos (p.e., silicato y fosfato de sodio).

Para mejorar las propiedades del molde (tales como la resistencia y permeabilidad), se pueden añadir ciertos aditivos.


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Materiales


metálicos. 29


Los parámetros que caracterizan la calidad de la arena son:

• Resistencia, tanto mecánica como frente a erosión.• Permeabilidad.

• Estabilidad térmica o refractariedad.• Posibilidad de reutilización.

• Capacidad de deformación frente a la contracción del material.• Facilidad de disgregación durante el desmoldeo.

Algunas de estas características (como resistencia, permeabilidad,estabilidad térmica) son especialmente críticas en la fabricación de machos.


Materiales


metálicos. 30


Un importante aspecto a controlar en la arena es el tamaño de los granos, sudistribución en la mezcla y su forma:

• Tamaños pequeños favorecen un mejor acabado superficial, pero implicanuna menor permeabilidad.

• Formas irregulares favorecen una mayor resistencia mecánica del molde, pero también suponen una menor permeabilidad.


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Materiales


metálicos. 31


Las arenas de fundición se clasifican según su estado de uso:

Arena en verde

La arena moldeada tiene una grancantidad de humedad cuando se

efectúa la colada.

Arena seca

La arena moldeada es calentada para eliminar la mayor cantidad

de humedad antes de que seefectúe la colada.

Secado enestufa

Secadosuperficial


Materiales


metálicos. 32

Fundición en arena: Moldeado.

Las técnicas de moldeo con arena se agrupan en dos grandesclasificaciones:

Moldeo manual

La arena se compacta a manosobre el modelo (técnicaempleada en el caso de producciones bajas).

Moldeo mecánico

La arena se compacta mediante prensas de moldeo y/o máquinas

de sacudidas (técnica adecuada para grandes producciones).


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Materiales


metálicos. 33

Fundición en arena: Moldeado mecánico.

Aire a presión

Pistones


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Moldeo por vacío.

Esta variante del moldeo en arena consiste en el uso de la depresión porvacío para compactar la arena y mantener cohesionada, en vez de usar un

aglutinante.

Película de plástico

Aireadores

VacíoModelo

ArenaCaja

Vacío


Vacío




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Materiales


metálicos. 35

Moldeo por vacío.

La principal ventaja de esta técnica consiste en que, al no utilizaraglutinantes ni agua, no presenta problemas de reutilización ni los aspectos

relacionados con la presencia de humedad en el molde.

La principal desventaja es la lentitud con que se realiza el proceso y quecondiciona su utilización a series pequeñas.


Materiales


metálicos. 36

Moldeo de precisión.

Como técnicas alternativas a la fundición en arena, se emplean una serie de procedimiento de moldeo que, por sus características, responden a un tipo

de moldeo con mayor precisión que el obtenido por la primera.

Moldeo en cáscara Moldeo a la cera pérdida

Moldeo en yeso y cerámica


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Materiales


metálicos. 37

Moldeo en cáscara.

Consiste en la obtención de un molde con una delgada capa de arena (deunos 10 mm de espesor) aglomerada con una resina sintética termoestable

(como el fenol-formaldehído).

Placa modelo caliente.

CáscaraArena yresina

Caja

Cajamolde

Relleno (arena, granalla)Cáscaras


Materiales


metálicos. 38

Moldeo en cáscara.

La principal ventaja de este proceso es la elevada precisión y el buenacabado superficial que se consigue en la pieza fundida, además de que elmolde puede ser empleado para varias coladas sin que sufra un deterioro

considerable.

El principal inconveniente de

este proceso es el coste elevadode fabricación, que lo haceviable tan sólo para series

medianas o grandes; así comoque sólo permite la fabricaciónde piezas de tamaño pequeño o

mediano (hasta 100 kg)


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Materiales


metálicos. 39

Moldeo a la cera perdida.

Consiste en la obtención de un molde con el empleo de un modelo de ceraque reproduce tanto la pieza a obtener como los elementos auxiliares del

molde (canales, bebedero).


Materiales


metálicos. 40



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Materiales


metálicos. 41


La obtención del recubrimiento se realiza mediante inmersión del modeloen una lechada de sílice u otro material refractario de grano muy fino

mezclado con yeso (que actúa de aglomerante).

Esta técnica tiene su principal aplicación en la obtención de piezas de pequeño tamaño (desde 1 g hasta 35 kg), con un nivel de detalle muy

elevado (elevada precisión y muy buena calidad superficial), y posibilitandoel empleo de una amplia variedad de metales y aleaciones (incluyendo

aleaciones de alto punto de fusión).

Los costes de esta técnica son elevados, debido a los materiales y a lalaboriosidad del proceso.


Materiales


metálicos. 42

Moldeo en yeso y cerámico.

La técnica de moldeo en yeso es similar a la del moldeo en arena con lavariante del empleo de una lechada de yeso (CaSO4·H2O) para generar el

molde.

Esta técnica precisa, tras el fraguado, de un secado posterior del molde paraeliminar la mayor cantidad de agua posible del molde.

La principal ventaja que presenta esta técnica es la buena precisión y grancalidad superficial que se obtiene en las piezas finales.

En cuanto a inconvenientes, destaca la limitación de uso de materiales de bajo punto de fusión (aleaciones de magnesio, oro, plata, cobre), así comola baja resistencia y permeabilidad del molde (que limita el proceso a piezas

de pequeño tamaño).


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Materiales


metálicos. 43

Moldeo en yeso y cerámico.

La técnica de moldeo cerámico es similar a la del moldeo en yeso con ladiferencia de que se emplean un material refractario, adecuado para el uso

de metales y aleaciones de alto punto de fusión (fundición de hierro, aceros,aceros inoxidables, aceros de herramienta). El material base del molde es

una mezcla de granos finos de ZrSiO4, Al2O3 y SiO2 fundido.

Con esta técnica se obtiene un buena precisión y calidad superficial en las piezas, además de permitir la fabricación de piezas de hasta 700 kg.

LechadaModelo

Caja Caja

Modelo

Molde en verde

Soplete

Molde


Materiales


metálicos. 44

Fundición en molde metálico.

Esta técnica de fundición emplea un molde metálico, fabricado en dossecciones principales, diseñadas para su apertura y cierre con precisión yfacilidad, en cuyo interior está labrada la cavidad que reproduce la pieza a

obtener.


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Materiales


metálicos. 45


Los moldes están fabricados, normalmente, de acero o hierro fundido,dependiendo del material a colar. Los machos empleados pueden ser

metálicos (siempre que su extracción no esté comprometida por la forma dela pieza) o de arena (cuando deben ser disgregados para su extracción).

Los metales y aleaciones más empleados en esta técnica son el aluminio,magnesio, zinc, aleaciones de cobre y hierro fundido.


Materiales


metálicos. 46


Sección molde precalentada

Sección molde precalentada

Pistón de aperturay cierre Boquilla

rociadora

Cavidad

Macho


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Materiales


metálicos. 47


Las principales variantes de este proceso son:

Fundición a baja presiónFundición por vacío

Moldeo por inversión de molde Moldeo por inyección

Fundición por centrifugación


Materiales


metálicos. 48

Moldeo por inversión de molde.

Este proceso persigue la obtención de piezas huecas al hacer girar el moldesobre si mismo con una cierta cantidad de material fundido en su interior.

El material solidifica sobre la pared del molde creando un capa que crececon el tiempo de permanencia del material en la cavidad. Una vez

conseguido el espesor adecuado, se vacía el molde del material sobrante.


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Materiales


metálicos. 49

Moldeo por inyección.

Esta técnica se fundamenta en la introducción del material fundido dentrode la cavidad mediante la aplicación de presión (desde 7 a 350 MPa), que se

mantiene hasta que éste solidifica.

Este proceso requiere del uso de máquinas de inyección, capaces deintroducir el material dentro de la cavidad, de mantener el cierre del molde

y de extraer la pieza.


Materiales


metálicos. 50


Existen dos variantes del proceso, en función de las características de lamáquina empleada:

• Máquinas de cámara caliente, en las que el material se funde en la propiamáquina para su inyección. Las presiones típicas de inyección son de 7 a 35

MPa, con producciones altas, pero limitada a materiales de bajo punto de

fusión (zinc, estaño, plomo, magnesio) y que no afecte al pistón.

• Máquinas de cámara fría, en las que el material se funde en un hornoaparte y se traslada a un pistón de la máquina para su inyección. Opera con

presiones mayores (del orden de 14 a 140 MPa), con todo tipo de materiales(especialmente aluminio, latón y aleaciones de magnesio), pero con

producciones más bajas


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Materiales


metálicos. 51


Sección fija moldeBoquilla

Canal

Pistón

Crisol

Cámara

Sección móvil molde

Extractores

Cavidad


Materiales


metálicos. 52


Sección fija molde

Cuchara de vertido

Pistón

Cámara

Sección móvilmolde

Extractores

Cavidad


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metálicos. 53


Las principales ventajas de este tipo de proceso son:

•Alta velocidad de producción.• Tolerancias dimensionales estrechas y buen acabado superficial.

• Secciones de pieza delgadas.• Mejora de las características mecánicas de las piezas debido al

enfriamiento rápido del material.

Respecto a los inconvenientes:

• Limitación en cuanto a formas.• Generación de rebabas que obligan a un procesado posterior.• Necesidad de un estudio de la geometría de la cavidad para facilitar el

desaireado del molde durante el proceso.


Materiales


metálicos. 54

Fundición a baja presión.

Esta técnica de moldeo se basa en el llenado del molde mediante laaplicación de una presión muy baja (del orden de 0,1 MPa), aplicada desde

abajo.

Pieza

Molde de grafito

Aire a presión

Metal fundido

Tubo refractarioCrisol

Cámara de aire


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Materiales


metálicos. 55

Fundición a baja presión. Fundición por vacío.

La principal ventaja de la fundición a baja presión es la de que el materialintroducido en la cavidad está libre de impurezas, gases y escorias, al ser

absorbido desde el centro del crisol, lo cuál reduce la oxidación y losdefectos relacionados con ésta.

Una variante de esta técnica es la fundición por vacío, en la que, en vez deluso del aire a presión para introducir el material en el molde, se genera

vacío entorno al molde, de forma que el metal asciende por la diferencia de presión con respecto a la ambiental que rodea el crisol.

Esta técnica presenta la ventaja respecto a la anterior de que se disminuyeen mayor medida la inclusión de gases en la pieza, mejorando su calidad.


Materiales


metálicos. 56

Fundición por centrifugación.

Esta técnica de fundición se caracteriza por el empleo de la fuerzacentrífuga generada al hacer girar el molde para efectuar el llenado de la

cavidad.

Las modalidades de esta técnica son:

Fundición centrifugada

Fundición centrífuga Fundición semicentrífuga


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Materiales


metálicos. 57

Fundición por centrifugación: fundición centrífuga.

Esta variante se emplea básicamente en la fabricación de elementostubulares con simetría radial.

Metal fundidoMolde

Embudo de descargaRodillo

Rodillo conducidoRodillo motriz

Molde


Materiales


metálicos. 58

Fundición por centrifugación: fundición semicentrífuga.

Esta técnica se emplea para la fabricación de piezas macizas con simetríaradial.

Cono de colada y bebedero

CajasPieza

Placa soportedesmontable

Anclaje


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Materiales


metálicos. 59

Fundición por centrifugación: fundición centrifugada.

Este proceso se emplea para la fabricación de pequeñas piezas sin simetríaradial.

Molde Cavidad

Metal fundido


Materiales


metálicos. 60

Fundición por centrifugación.

Para que estos procesos trabajen de forma satisfactoria, debe evaluarse lavelocidad de rotación del molde adecuada para garantizar el llenado de la

cavidad.

Para su evaluación se emplea el factor G, que es la relación existente entrela fuerza centrífuga a la que se somete el material y el peso del mismo.

En el caso de la fundición centrífuga los valores apropiados del factor Goscilan entre 60 y 80, mientras que en la fundición semicentrífuga y

centrifugada el valor del factor se ajusta entorno a 15.


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Materiales


metálicos. 61

Procesado de polvos: fundamentos.

La metalurgia de polvos es una tecnología basada en la generación de piezas a partir de partículas metálicas que son prensadas entre sí y

calentadas para generar la unión de las mismas.


Materiales


metálicos. 62


Este tipo de conformado presenta las siguientes características:

• Las piezas producidas normalmente no precisan de un procesado posterior.

• El desperdicio de material es muy pequeño (≈ 3%).• Debido a la naturaleza de la materia de partida, se pueden conseguir

piezas con diferentes niveles de porosidad.• Se pueden procesar materiales (p.e. tungsteno) cuyo procesado es difícil

mediante otras técnicas.• El control dimensional es mejor que otros procesos (p.e. fundición),

trabajando con tolerancias que pueden ser de ±0,1 mm.• Es un proceso susceptible de automatización.• Los costes de equipos y materias es elevado.

• Las piezas fabricadas pueden presentar variaciones de densidad,especialmente en el caso de geometrías complejas.


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Materiales


metálicos. 63


Por sus características, las piezas que se pueden producir con este tipo de proceso pueden ser de hasta unos 25 kg, pero, normalmente, los

componentes fabricados mediante esta técnica no suelen pesar más allá delos 2 kg, ya que ello requiere de prensas de compactación de muy elevada

potencia.

Los materiales más empleados en esta técnica son las aleaciones de hierro,acero y aluminio, aunque también se emplean en menor medida el cobre,

níquel, molibdeno y tungsteno.


Materiales


metálicos. 64

Consideraciones sobre la materia de partida.

Las partículas de material empleadas deben ser caracterizadas respecto a:

Compactado, densidad y porosidad

Características geométricas Características de flujo

• Tamaño de las partículas• Forma y estructura interna

• Área superficial

• Fricción interparticular • Características de flujo

durante el prensado


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metálicos. 65


En cuanto a la forma, se pueden catalogar los siguientes tipos:

Acicular(descomposición química)

Cilíndrica irregular(descomposición química,

pulverización mecánica)

Escamas(pulverización mecánica)

Dendrítica(electrólisis)

Esférica

(atomización, reducción químicade carbonilos de hierro)

Irregular(atomización,

descomposición química)

Redondeada

(atomización,descomposición química)

Porosa(reducción de óxidos)

Angular(pulverización mecánica,reducción química decarbonilos de níquel)

Unidimensional

Bidimensional

Tridimensional


Materiales


metálicos. 66


El tamaño de las partículas se evalúa en función de la forma de las mismas(uni-, bi- o tridimensional) y a través de un proceso de criba.

La influencia del tamaño viene dada bajo dos puntos de vista:

• A menor tamaño de las partículas, se produce una mayor aglomeración delas mismas, que favorece un aumento de la densidad aparente.

• A menor tamaño, mayor es la dificultad para que fluyan durante el proceso de prensado y de manipulación automática, lo cual provoca la

necesidad del empleo de mayores presiones.


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Materiales


metálicos. 69


En cuanto a las características de flujo, éstas influyen durante el llenado dela matriz de compactación y durante el prensado.

Directamente relacionada con la fricción interparticular, una medida comúnes el tiempo requerido para una cierta cantidad (en peso) de partículasfluyan a través de un embudo de tamaño estándar. Tiempo menores

suponen una mayor facilidad de flujo e, indirectamente, una menor fricciónentre partículas.

La consecuencia más directa es que una mayor dificultad de flujo supone unincremento de la presión de compactación necesaria.

Para reducir los efectos de la fricción y de la dificultad del flujo se emplean pequeñas cantidades de lubricante (estearato de zinc, aluminio) que se

añaden a las partículas.


Materiales


metálicos. 70


Las características de compactado depende de dos medidas de densidad:

• Densidad real , que es la densidad del volumen verdadero del material.• Densidad aparente, que es la densidad de las partículas sin compactar e

incluyendo el efecto de los poros entre las mismas.

Se denomina factor de empaquetamiento (f e ) a la relación entre densidadaparente y densidad real. Este factor oscila entre 0,5 y 0,7 para las

partículas sueltas y depende de los factores antes estudiados (especialmentede la distribución de tamaños y la forma de las partículas).

Para la mejora del factor de empaquetamiento se recurre al vibrado de las partículas con la finalidad de que se asienten de forma más adecuada.


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Materiales


metálicos. 71

Fases del proceso.

El proceso que se sigue en la metalurgia de polvos se resume en la siguientegráfica:

MezcladoOperacionesde acabado

Obtención de lamateria prima

Aditivos:

lubricantes

Prensado

en caliente

Prensadoen frío

Sinterizado

• Atomización• Descomp. química• Pulveriz. mecánica• ...

• Prensado• Prensado isostático• Laminado• Extrusión• Inyección

• Prensado isostático

• En atmósfera inerte• Al vacío

• Forjado• Mecanizado• Trat. Térmicos• Infiltración


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metálicos. 72

Prensado convencional.

El prensado o compactación se realiza a altas presiones para dar a las partículas la forma requerida mediante una matriz.

Punzón superior

Punzón inferior

Matriz

Alimentador Pieza en verde

Punzón superior

Punzón inferior

Matriz

Macho

Pieza en verde


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metálicos. 73


Tras el prensado la densidad aparente del material es aumentada, así comosu resistencia, que es la adecuada para su manejo y manipulación.


Materiales


metálicos. 74


La presión aplicada produce un empaquetamiento mayor de las partículas,reduciendo la porosidad, incrementando los puntos de contactos entre las

partículas y provocando la deformación plástica de las mismas.

Las valores de presión empleados usualmente son los siguientes:

Metal / Aleación Presión (MPa)Aluminio 70 - 275

Latón 400 - 700Bronce 200 - 275

Fundición de hierro 350 - 800Tántalo 70 - 140

Tungsteno 70 - 140


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Materiales


metálicos. 75

Prensado isostático.

Es una variante del prensado en la que el material se ve sometido a unesfuerzo de compresión hidrostática para garantizar una compactación más

uniforme.

En la variante en frío, este sistema emplea un molde de caucho flexible(neopreno, uretano, PVC u otro elastómero) en el que se encierra el material

y al que se somete a presión exterior (del orden de 400 MPa, como valormás común).

En la variante en caliente se simultanea el compactado a alta presión junto

con la aplicación de una elevada temperatura, empleando como medio decompresión un gas (helio, neón), lo cual permite disminuir notablemente la porosidad (hasta casi el 0%).


Materiales


metálicos. 76

Prensado isostático.

Macho

Carga de material

Pared flexible (caucho)Cierre

Fluido hidráulico


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Materiales


metálicos. 77

Otras técnicas de prensado.

En la industria existen otra serie de técnicas de prensado, que se emplean para el desarrollo de productos específicos.

• Moldeo por inyección, en la que se emplean partículas de pequeño tamaño(< 10 µm) aglomeradas con un polímero o cera. Una vez moldeada la pieza,

se introduce en un horno de baja temperatura o se emplea un disolvente para la eliminación de aglomerante.

Esta técnica se emplea para la fabricación de pequeñas piezas (< 250 g) con

formas complejas, aunque los costes son muy elevados.


Materiales


metálicos. 78

Otras técnicas de prensado.

• Extrusión, en la que se compacta el material a través de una matriz paragenerar una pieza longitudinal de perfil constante. Con esta técnica se

procesan (en caliente) algunas superaleaciones para mejorar sus

propiedades mecánicas.

• Laminado, en la que se usan dos rodillos para generar una lamina o perfilcontinuo. Esta técnica se emplea para la obtención de componentes

eléctricos.


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Materiales


metálicos. 79

Sinterizado.

El sinterizado es la operación de tratamiento térmico que se efectúa sobre la pieza en verde para unir sus partículas e incrementar su resistencia

mecánica.


Materiales


metálicos. 80

Sinterizado.

La temperatura de sinterización oscila entre el 70% y el 90% de la de fusióndel metal en la escala absoluta, mientras que el tiempo de sinterización

depende del material considerado.

Metal / Aleación Temperatura (°C) Tiempo (min)Cobre, latón y bronce 760 - 900 10 - 45Fundición de hierro 1000 - 1150 8 - 45

Níquel 1000 - 1150 30 - 45Acero inoxidable 1100 - 1290 30 - 60

Ferritas 1200 - 1500 10 - 600Carburos de Tungsteno 1430 - 1500 20 - 30

Molibdeno 2050 120Tungsteno 2350 480

Tántalo 2400 480


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Materiales


metálicos. 81

Sinterizado.

Los hornos de sinterizado operan en atmósferas controladas (vacío,nitrógeno, amoniaco disociado, gas inerte, hidrógeno, gas natural), a lo

largo de tres fases: precalentamiento, sinterización y enfriamiento.Temperatura del horno(línea continua)

Temperatura de la pieza(línea discontinua)

Sinterizado EnfriamientoPrecalen-tamiento

Deflector

Banda de transporte

Temperatura


Materiales


metálicos. 82

Sinterizado.


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Materiales


metálicos. 83

Sinterizado.

Los mecanismos de sinterizado son complejos y dependen de lacomposición de las partículas empleadas.

Los mecanismos que pueden producirse durante el proceso de sinterizadoson:

• Transporte en estado sólido, donde predomina el efecto de difusión entrelas partículas.

• Transporte en estado líquido, en el que aparece una primera fase de

transporte en fase vapor y una posterior microfusión de material en la zonade contacto (sobre todo en el caso de partículas compuestas de materialescon distinto punto de fusión).


Materiales


metálicos. 84

Operaciones de acabado.

Aunque en muchos casos el producto obtenido tras el sinterizado nonecesita de ningún procesado posterior, se pueden realizar algunas

operaciones de acabado para mejorar algunas características de la piezafinal.

• Reprensado, que se efectúa para aumentar la densidad del material y

mejorar sus características mecánicas y/o dimensionales. Una variante es elacuñado, realizada para grabar formas geométricas en la superficie de la

pieza sinterizada.• Impregnación, cuando se introduce un fluido (p.e. aceite lubricante) en el

seno de los poros de la pieza sinterizada.• Infiltración, en la que se rellenan los poros mediante un metal fundido

(cuyo punto de fusión es inferior al del material de la pieza).• Tratamientos térmicos, para mejorar sus características mecánicas.


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Materiales


metálicos. 87

Conformado por deformación plástica: fundamentos.

Independientemente del tipo de proceso considerado, el material se puedeconformar a distintas temperaturas, lo cual supone diferentes características

mecánicas en el material procesado.

El parámetro que distingue entre los distintos tipos de conformado bajo la perspectiva antes citada es la temperatura de recristalización.

Dicha temperatura marca la frontera entre la deformación generada en los bordes de grano (valores inferiores) y la generada en el interior de los

mismos (valores superiores) ante la aplicación de un esfuerzo exterior.Dicha temperatura se puede estimar como la mitad de temperatura de fusión

del material medida en la escala absoluta.


Materiales


metálicos. 88


El conformado en frío se efectúa a una temperatura muy por debajo de la derecristalización y se aplica a aquellos casos en los que se genera un cambiode forma menos severo, se desean mejorar las características mecánicas del

material y/o se desea un buen acabado en la pieza final.

Los principales efectos son:

• No homogeneización entre las distintas zonas de la pieza (especialmenteentre la superficie y el núcleo).

• Aparición de tensiones residuales en la superficie de la pieza que acentúanlos defectos superficiales, disminuyen la resistencia a fatiga y favorecen la

corrosión.• Aumento de la dureza, del límite elástico y de la fragilidad del material.


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Materiales


metálicos. 89


El conformado en caliente se efectúa a una temperatura cercana a la derecristalización y se aplica a aquellos casos en los se genera un gran cambio

de forma en el material.

Los principales efectos son:

• Se disminuye el esfuerzo de deformación.• Por efecto simultáneo de deformación y recristalización, se favorece el

afino del grano.

• No se generan tensiones residuales en el material.• La estructura del material es más uniforme.

• Se favorece la oxidación del material (especialmente en la superficie).


Materiales


metálicos. 90

Laminado.

El laminado es un proceso por el que se reduce el espesor del materialmediante un esfuerzo de compresión aplicado a través de dos rodillos

opuestos.

Lingote

Pletina

Lámina

Flejes

Tubos

Chapas

Barras

Varillas

Tubos sin costura

Perfiles estructurales

Rieles

Fundicióncontinua olingotes


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Materiales


metálicos. 91

Laminado.

La mayoría de las operaciones de laminado se efectúan en caliente, dadoque se producen cambios significativos en la forma del material. Sólo

cuando se desean mantener tolerancias estrechas en el producto final, serealizan operaciones de laminado en frío.


Materiales


metálicos. 92

Laminado plano.

Este tipo de proceso constituye la base de estudio del resto de variantes del proceso de laminación.

vo

vf

bo

ho

bf

hf

LR vrodillo

vo vf Lámina

Fuerzas defricción

R vrodillo

Zona deentrada

Zona desalida

Zonade

deform.L

Punto neutro(rozamiento

nulo)

F

F

F

F

a

Par

L

α


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Materiales


metálicos. 93

Laminado plano.

Durante el proceso se verifica que la reducción de espesor es:

ε−=−

= e1h

hhr

o

f o

Mientras que las dimensiones de la lámina cumplen:

f f f ooo v bhv bh ⋅⋅=⋅⋅

siendo:

f rodilloo vvv


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Materiales


metálicos. 95

Laminado plano.

El esfuerzo desarrollado en los rodillos es función de la presión que éstosejercen sobre el material. Como primera aproximación para el cálculo de la

fuerza desarrollada por los rodillos se emplea la expresión:

( )f omedio

hhR Lconh2

L1S bLF −⋅≈

⋅⋅µ

+⋅⋅⋅=

En cuanto al par necesario, su cálculo se aproxima considerando que ladistancia de aplicación de la fuerza F con respecto al eje del rodillo es:

⋅⋅

⋅⋅≈⋅=

calienteenlaminacióndecasoelen: L5,0F

fríoenlaminacióndecasoelen: L4,0FdFM


Materiales


metálicos. 96

Laminado de perfiles.

En esta variante, la material es deformado para generar un contorno en lasección transversal. En este caso los rodillos de laminación son más

complejos y el material inicial requiere una transformación gradual a travésde varias etapas de rodillos hasta alcanzar la forma final, para lograr una

deformación uniforme.

1ª etapa 2ª etapa 3ª etapa

4ª etapa 5ª etapa 6ª etapa


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Materiales


metálicos. 97

Laminado de anillos.

Mediante esta técnica se laminan las paredes gruesas de un anillo paragenerar un anillo de pared más delgada y mayor diámetro.

Rodillo principal(conductor)

Rodillo interior (conducido)

Rodillo exterior (conducido)

Rodillos de perfil(conducidos)

Pieza


Materiales


metálicos. 98

Laminado de tubos sin costura.

Esta técnica aprovecha el efecto de la aplicación de un esfuerzo decompresión sobre un rodillo cilíndrico a través de su circunferencia para provocar una grieta en su centro que se aprovecha para generar el hueco

interior del tubo.

Tubo

Mandril

Rodillo

Rodillo

F

F

F

F

v


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Materiales


metálicos. 99

Forja.

El proceso de forja consiste en la compresión del material entre dosmatrices mediante la aplicación de un impacto o de presión gradual.


Materiales


metálicos. 100

Forja.

Este proceso suele realizarse en caliente, ya que se disminuyennotablemente los esfuerzos necesarios para la deformación que se producesobre el material, pero también se realiza en frío en ciertos casos cuando se

desean mejorar las características mecánicas del material.

Las variantes de este tipo de proceso son:

Forja libre Forja con estampa

Forja conestampacerrada

Recalcado Grabado


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Materiales


metálicos. 101

Forja libre.

La forja libre es la variante más simple de este proceso, con la que seobtienen piezas de geometría sencilla. Los tamaños de piezas pueden

oscilar entre pocos centímetros hasta los 25 m.


Materiales


metálicos. 102

Forja libre.

Se aplica a series pequeñas, en las que no se exige a la pieza una toleranciafinal estrecha (con necesidad de procesado posterior), y con una

productividad muy baja.


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Materiales


metálicos. 103

Forja libre.

El esfuerzo de forja depende de la deformación que se provoca en elmaterial y del coeficiente de fricción entre las matrices y la pieza.

Matriz

Matriz

Tocho

Fuerzas de fricción

Abombamiento

F F

Deformación sinefectos de fricción.

Deformación conefectos de fricción.


Materiales


metálicos. 104

Forja libre.

⋅⋅µ⋅

+⋅=h3

r 21Y p fluenciamedia

En el caso de un cilindro la presión media que se requiere para deformar elmaterial es:

⋅µ+⋅=h

a1S p fluenciamedia

siendo r el radio final de la pieza y h su altura final.

En el caso de una pieza de sección rectangular sometida a condiciones dedeformación plana es:

siendo a el semiancho final de la pieza y h su altura final.


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Materiales


metálicos. 105

Forja con estampa.

Mediante esta variante se genera la deformación del material de manera queéste adquiere la forma de la matriz (estampa) con la que se trabaja el

material.


Materiales


metálicos. 106

Forja con estampa.

Este conformado, debido a las grandes deformaciones que sufre el material,se efectúa en varias etapas, de manera que el material altera su forma demodo gradual. Ello supone el empleo de varias matrices (tantas como

etapas de forjado).

Material de partida

Preformado Semiacabado Acabado Desbarbado


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Materiales


metálicos. 107

Forja con estampa.

Puesto que las deformaciones que sufre el material son diferentes según lazona afectada, la evaluación del esfuerzo necesario es compleja, lo cualsólo se puede calcular con cierta exactitud mediante el uso del M.E.F.

Estampa

Materialde partida

Estampa

FF

Rebaba


Materiales


metálicos. 108

Forja con estampa.

La estimación del esfuerzo necesario para la deformación puede efectuarsemediante la expresión:

f fluenciamedia K Y p ⋅=

Siendo K f un valor en función de la geometría de la pieza y del tipo de proceso.

Tipo de forjado con estampa Kf Formas simples, sin rebabas. 3 - 5Formas simples, con rebabas 5 - 8

Formas complejas, sin rebabas 5 - 8Formas complejas, con rebabas 8 - 12


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Materiales


metálicos. 109

Forja con estampa cerrada. Grabado.

La forja con estampa cerrada se caracteriza porque no se genera una rebabaen la pieza final, de manera que todo el material rellena por completo el

interior de la cavidad de las matrices.

Este tipo de proceso impone unos requisitos sobre el control del procesomás exigentes que en el caso anterior, ya que debe controlarse

perfectamente el volumen del material de partida y las presiones ejercidas.

Una variante de este proceso consiste en el grabado (o acuñado) de

superficies, proceso en el que los esfuerzos son muy elevados para alcanzarun gran nivel de detalle en la pieza final, pero con el que se consiguen

piezas de una gran precisión y calidad superficial.


Materiales


metálicos. 110

Recalcado.

Esta variante del proceso de forja con estampa pretende deformar una partede la pieza aumentando su diámetro y disminuyendo su longitud. Es un

proceso de producción en serie, que puede operar tanto en frío como encaliente.

Documents

Fundicion y Procesos