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Fundición
Es el proceso de fabricación de piezas, comúnmente metálicas o plásticas, consiste en fundir un
material e introducirlo en una cavidad, llamada molde, donde se solidifica. Las fundiciones se refiere a
productos carburados presentados o que se pueden presentar, después de la solidificación, eutéctica (eutéctica
de cementita en las fundiciones blancas y eutéctica con grafito laminar en los grises). En ausencia de otros
elementos distintos del carbono, este corresponde a c>1,7%. Este contenido límite, varía con los demás
elementos, pero puede ser definido en función del análisis químico como la red de eutéctica de cementita (o
las plaquitas de grafito) se opone a las deformaciones plásticas, estos productos son pocos o nada maleables.
Las fundiciones son aleaciones de hierro- carbono donde el contenido de carbono varía entre 2,14% y
6,67% (aunque estos porcentajes no son completamente rígidos). Comúnmente las mas usadas están entre los
valores de 2,5% y 4,5%, ya que las de mayor contenido de carbono carecen de valor práctico en la industria
Las fundiciones están constituidas por elementos como hierro, carbono, silicio, además de magnesio, fósforo,
azufre etc. Las fundiciones no son sometidas a procesos de deformación plásticas ya que estas no son
dúctiles.
Importancia del proceso de fundición
Permite fabricar piezas de diferentes dimensiones.
Gran precisión de forma en la fabricación piezas complicadas.
Es un proceso relativamente económico.
Las piezas de fundición son fáciles de mecanizar
Estas piezas son resistentes al desgaste.
Absorben mejor las vibraciones en comparación con el acero.
Ventajas
Se usa para crear partes de compleja geometría, incluyendo formas externas e internas.
Se pueden producir partes de forma neta que no requieren operaciones subsecuentes para llenar los
requisitos de la geometría y dimensiones de la pieza.
Se pueden producir partes muy grandes.
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El proceso de fundición puede realizarse a cualquier metal que pueda calentarse y pasar a estado
líquido.
Algunos métodos de fundición son altamente adaptable a la producción en masa.
Desventajas
Algunos procesos de fundición presenta deficiencia en las propiedades mecánicas principalmente por
porosidades
Baja precisión dimensional
Acabado deficiente de la superficie
Riesgos en la seguridad de los trabajadores
Problemas ambientales
Alto consumo de energía
Propiedades de las fundiciones
Buena resistencia a la comprensión
Baja resistencia a la tracción
Resistencia a las vibraciones
Fragilidad
Moldeabilidad en caliente
Resistencia al desgaste.
Nota: Debido a sus propiedades, las fundiciones suelen utilizarse para la realización de bloques, bancadas de
máquinas, herramientas, soportes, bloques de motores, cuerpos de bombas etc.
Clasificación de las fundiciones
Fundición blanca: Son aquellas en las que todo el carbono se encuentra combinado bajo la forma de
cementita. Todas ellas son aleaciones hipoeutécticas y las transformaciones que tienen lugar durante
su enfriamiento son análogas a las de la aleación de 2,5 % de carbono.
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La figura muestra la microestructura típica de las fundiciones blancas, la cual está formada por
dendritas de austenita transformada (perlita), en una matriz blanca de cementita las áreas oscuras son perlita.
Estas fundiciones se caracterizan por su dureza y resistencia al desgaste, siendo sumamente
quebradiza y difícil de mecanizar. Esta fragilidad y falta de maquinabilidad limita la utilización industrial de
las fundiciones " totalmente blancas ", quedando reducido su empleo a aquellos casos en que no se quiera
ductilidad como en las camisas interiores de las hormigoneras, molinos de bolas, algunos tipos de estampas
de estirar y en las boquillas de extrusión. También se utiliza en grandes cantidades, como material de partida,
para la fabricación de fundición maleable.
Fundiciones Gris: La mayoría de las fundiciones grises son aleaciones hipoeutécticas que contienen
entre 2,5 y 4% de carbono. El proceso de grafitización se realiza con mayor facilidad si el contenido
de carbono es elevado, las temperaturas elevadas y si la cantidad de elementos grafitizantes presentes,
especialmente el silicio, es la adecuada.
Para que grafiticen la cementita eutéctica y la proeutectoide, aunque no la eutectoide, y así obtener
una estructura final perlítica hay que controlar cuidadosamente el contenido de silicio y la velocidad de
enfriamiento. El grafito adopta la forma de numerosas laminillas curvadas, que son las que proporcionan a la
fundición gris su característica fractura grisácea o negruzca.
Si la composición y la velocidad de enfriamiento son tales que la cementita eutectoide también se
grafitiza presentará entonces una estructura totalmente ferrítica. Por el contrario, si se impide la grafitización
de la cementita eutectoide, la matriz será totalmente perlítica. La fundición gris constituida por mezcla de
grafito y ferrita es la más blanda y la que menor resistencia mecánica presenta; la resistencia a la tracción y la
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dureza aumentan con la cantidad de carbono combinada que existe, alcanzando su valor máximo en la
fundición gris perlítica.
La figura muestra la microestructura de una fundición gris cuya matriz es totalmente perlítica.
Además se observan como unos granos blancos, los cuales resueltos son, en realidad, esteadita. La mayoría
de las fundiciones contienen fósforo procedente del mineral de hierro en cantidades variables entre 0,10 y
0,90%, el cual se combina en su mayor parte con el hierro formando fosfuro de hierro (Fe3P). Este fosfuro
forma un eutéctico ternario con la cementita y la austenita (perlita a temperatura ambiente) conocida como
esteatita la cual es uno de los constituyentes normales de las fundiciones. La esteadita, por sus propiedades
físicas, debe controlarse con todo cuidado para obtener unas características mecánicas óptimas.
Fundición nodular: Al encontrarse el carbono en forma esferoidal, la continuidad de la matriz se
interrumpe mucho menos que cuando se encuentra en forma laminar; esto da lugar a una resistencia a
la tracción y tenacidades mayores que en la fundición gris ordinaria. La fundición nodular se
diferencia de la fundición maleable en que normalmente se obtiene directamente en bruto de fusión
sin necesidad de tratamiento térmico posterior. Además los nódulos presentan una forma más esférica
que los aglomerados de grafito, más o menos irregulares, que aparecen en la fundición maleable.
El contenido total en carbono de la fundición nodular es igual al de las partículas esferoidales de
grafito se forman durante la solidificación, debido a la presencia de pequeñas cantidades de alguno elemento
de aleación formadores de nódulos, normalmente magnesio y cerio, los cuales se adicionan al caldero
inmediatamente antes de pasar el metal a los moldes.
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La cantidad de ferrita presente en la matriz en bruto de colada depende de la composición y de la
velocidad de enfriamiento. Las fundiciones ferríticas son las que proporcionan la máxima ductilidad,
tenacidad y maquinabilidad. Estas fundiciones, bien en bruto de fundición o tras haber sufrido un
normalizado, pueden presentar también una matriz constituida en gran parte por perlita.
Fundición maleable: La tendencia que presenta la cementita a dejar en libertad carbono, constituye
la base de la fabricación de la fundición maleable. La reacción de descomposición se ve favorecida
por las altas temperaturas, por la presencia de impurezas sólidas no metálicas, por contenidos de
carbono más elevados y por la existencia de elementos que ayudan a la descomposición del Fe3C.
La maleabilización tiene por objeto transformar todo el carbono, industrialmente este proceso se
realiza en dos etapas conocidas como primera y segunda fases de recocido.
En la primera fase del recocido, la fundición blanca se calienta lentamente a una temperatura
comprendida entre 840 y 980ºC. Durante el calentamiento, la perlita se transforma en austenita al alcanzar la
línea crítica inferior y, a medida que aumenta la temperatura, la austenita formada disuelve algo más de
cementita.
La segunda fase del recocido consiste en un enfriamiento muy lento al atravesar la zona crítica en que
tiene lugar la reacción eutectoide. Esto permite a la austenita descomponerse en las fases estables de ferrita y
grafito. Una vez realizada la grafitización, la estructura no sufre ninguna nueva modificación durante el
enfriamiento a temperatura ambiente, quedando constituida por nódulos de carbono de revenido (rosetas) en
una matriz ferrítica). Este tipo de fundición se denomina normal o ferrítica
Bajo la forma de rosetas, el carbono revenido no rompe la continuidad de la matriz ferrítica tenaz, lo
que da lugar a un aumento de la resistencia y de la ductilidad. Si durante el temple al aire se consigue que el
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enfriamiento a través de la región eutectoide se realice con la suficiente rapidez, la matriz presentará una
estructura totalmente perlítica.
Si el enfriamiento en la región eutectoide no se realiza a la velocidad necesaria para que todo el
carbono quede en forma combinada, las zonas que rodean los nódulos de carbono de revenido estarán
totalmente grafitizadas mientras que las más distantes presentarán una estructura totalmente perlítica, debido
al aspecto que presenta estas estructuras al microscopio, se conocen como estructura de ojo de buey. Este tipo
de fundición también puede obtenerse a partir de la fundición maleable ferrítica mediante un calentamiento
de esta última por encima de la temperatura crítica inferior, seguido de un enfriamiento rápido.
Fundición en coquilla: Se obtienen colando el metal fundido en coquilla metálica. De esta forma se
obtienen piezas constituidas por una capa periférica dura y resistente a la abrasión de, que envuelve
totalmente a un corazón más blando de, siendo necesario para conseguir buenos resultados tener un
control muy cuidadoso de la composición y de la velocidad de enfriamiento.
Las fundiciones en coquilla pueden obtenerse ajustando la composición de la fundición de tal modo
que la velocidad de enfriamiento del normal en la superficie sea la justa para que se forme fundición blanca,
mientras que en el interior, al ser menor la velocidad, se obtiene fundiciones atruchadas y grises.
Jugando con los espesores metálicos del molde y con algunos componentes de la aleación como el
silicio, manganeso, fósforo etc. se puede controlar el espesor de la capa de fundición blanca que se desea
obtener.
Fundición aleada: Son aquellas que contienen uno o más elementos de aleación en cantidades
suficientes para mejorar las propiedades físicas o mecánicas de las fundiciones ordinarias. Los
elementos que normalmente se encuentran en las primeras materias, como el silicio, manganeso,
fósforo y azufre no se consideran como elementos de aleación.
Los elementos de aleación se adicionan a las fundiciones ordinarias para comunicarles alguna
propiedad especial, tal como resistencia a la corrosión, al desgaste o al calor, o para mejorar sus propiedades
mecánicas. La mayoría de los elementos de aleación adicionados a las fundiciones aceleran o retardan la
grafitización, y ésta es una de las principales razones de su empleo. Los elementos de aleación más utilizados
son el cromo, cobre, molibdeno, níquel y vanadio.
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Fundición en matrices: En este proceso el metal líquido se inyecta a presión en un molde metálico
(matriz), la inyección se hace a una presión entre 10 y 14 Mpa, las piezas logradas con este
procedimiento son de gran calidad en lo que se refiere a su terminado y a sus dimensiones. Este
procedimiento es uno de los más utilizados para la producción de grandes cantidades de piezas
fundidas. Se pueden utilizar dos tipos de sistema de inyección en la fundición en matrices.
1. Cámara caliente
2. Cámara fría
El procedimiento de fusión en cámara caliente se realiza cuando un cilindro es sumergido en el metal
derretido y con un pistón se empuja el metal hacia una salida la que descarga a la matriz. Las aleaciones más
utilizadas en este método son las de bajo punto de fusión como las de zinc, estaño y plomo. Las piezas que se
producen son de 20 a 40 kg y se llegan a manejar presiones superiores a los 35Mpa. Es un proceso rápido que
se puede fácilmente mecanizar.
El proceso con cámara fría se lleva metal fundido por medio de un cucharón hasta un cilindro por el
cual corre un pistón que empuja al metal a la matriz de fundición, las piezas obtenidas son de unos cuantos
gramos a 10 kg y sólo es recomendable en trabajos de poca producción.
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Fundición por inyección: La fundición en esta forma y tratándose de gran cantidad de piezas, exige
naturalmente un número considerable de moldes. Es evidente que el costo de cada pieza aumenta con
el precio del molde.
En las técnicas modernas para la fundición de pequeñas piezas, se aplican maquinas con moldes de
metal, que duran mucho tiempo, pudiendo fundirse en ellos millares de piezas, el metal se inyecta en el
molde a presión, por cuya razón este sistema se denomina por inyección. El peso de las piezas que se pueden
fundir por inyección en moldes mecánicos, varía entre 0.5 gramos hasta 8 kilos. Por lo general se funden por
inyección piezas de Zinc, Estaño, Aluminio, y Plomo con sus respectivas aleaciones.
La parte más delicada de la máquina para fundir por inyección es el molde. Este molde tiene que ser
hecho con mucho cuidado y exactitud, tomando en cuenta los coeficientes de contracción y las tolerancias
para la construcción de las piezas, de acuerdo con el metal y la temperatura con la que se inyecta.
La cantidad de piezas que pueden fundir en un molde y con una sola maquina es muy grande, además,
en una hora pueden fabricarse de 200 a 2000 piezas según su tamaño y forma, por lo tanto, repartiendo el
costo del molde, de la maquina, así como también los gastos de mano de obra para la manutención del equipo
y teniendo en cuenta la gran producción, a de verse que las piezas fundidas en serie por inyección resultan de
bajo costos.
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Fundición centrifuga: La fundición centrifuga es el proceso de hacer girar el molde mientras se
solidifica el metal, utilizando así la fuerza centrifuga para acomodar el metal en el molde. Se obtienen
mayores detalles sobre la superficie de la pieza y la estructura densa del metal adquiere propiedades
físicas superiores. Las piezas de forma simétricas se prestan particularmente para este método, aun
cuando se pueden producir otros muchos tipos de piezas fundidas.
Por fundición centrifuga se obtienen piezas más económicas que por otros métodos. Los corazones en
forma cilíndricas y rebosaderos se eliminan. Las piezas tienen una estructura de metal densa con todo y las
impurezas que van de la parte posterior al centro de la pieza pero que frecuentemente se maquinan. Por razón
de la presión extrema del metal sobre el metal, se pueden lograr piezas de secciones delgadas también como
en la fundición estática.
Los moldes permanentes se han hecho frecuentemente en la fundición centrifuga de magnesio. Desde
entonces las piezas de fundición de magnesio son forzadas nuevamente al molde, las piezas se enfrían más
rápidamente y el aire o gas atrapados se eliminan entre el molde y el material.
Aunque en la fundición centrífuga hay limitaciones en el tamaño y forma de piezas fundida, se
pueden hacer desde anillos de pistón de pocos gramos de peso y rodillo para papel que pesen arriba de 40
toneladas, Blocks de maquinas en aluminio.
Es un método en el que aprovecha la fuerza centrífuga que se puede general al hacer girar el metal en
tordo de un eje. Existen tres tipos de fundición centrífuga:
Fundición centrífuga real: Es el procedimiento utilizado para la fabricación de tubos sin costura,
camisas y objetos simétricos, los moldes se llenan del material fundido de manera uniforme y se hace
girar al molde sobre su eje de rotación.
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Fundición semi-centrífuga: Es un método en el que el material fundido se hace llegar a los extremos
de los moldes por la fuerza centrífuga que genera hacer girar a los moldes, los extremos se llenan del
material fundido, con buena densidad y uniformidad. El centro tiene poco material o de poca
densidad. Por lo regular el centro en este tipo de sistemas de fundición es maquinado posteriormente.
Centrifugado: Es un sistema donde por medio de un tallo se hace llegar metal fundido a racimos de
piezas colocadas simétricamente en la periferia. Al poner a girar el sistema se genera fuerza
centrífuga la que es utilizada para aumentar la uniformidad del metal que llena las cavidades de los
moldes.
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Etapas del proceso de fundición.
Diseño del modelo: El modelo es la pieza que se requiere reproducir en el proceso de fundición, con
ciertas diferencias tales como:
Debe ser ligeramente más grande considerando la contracción del material una vez solidificado.
Las superficies del modelo deberán respetar unos ángulos mínimos con la dirección de desmoldeo
(ángulo de salida)
Incluir todos los canales de alimentación y mazarotas.
Fabricación del modelo: Se refiere a la realización del modelo con lo cual se realizaran los moldes
para la fusión.
Estos se realizan de diferentes materiales como:
Madera
Metálicos
Yeso
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Moldeo: Operación necesaria para preparar el molde a fin de recibir el metal. Consiste en aprisionar
la arena alrededor del modelo ubicado dentro de la caja de moldeo. Luego, sacar el modelo, si la pieza
va a ser hueca colocar los corazones, si no, sólo colocar los sistemas de alimentación.
Fusión y Colada: Esta etapa consiste en preparar el metal con la composición y la temperatura
adecuada.
Una vez que el metal es calentado a una temperatura lo suficientemente alta para transformarlo
completamente al estado líquido, se vierte directamente en la cavidad del molde por medio de cazos
de colada.
Limpieza y Acabado: Una vez que la pieza se ha enfriado y solidificado, se procede a su extracción
del molde, para luego retirar los conductos del sistema de alimentación, retirar los restos arena de la
superficie de la pieza terminada.
La pieza puede requerir mecanizado, tratamiento térmico, etc.
Descripción del proceso
El proceso de fundición empieza con el diseño del modelo para así fabricar el molde.
El molde tiene una cavidad cuya forma geométrica determina la forma de la parte a fundir. La cavidad
debe diseñarse de forma y tamaño ligeramente sobredimensionado, esto permitirá la contracción del metal
durante la solidificación y enfriamiento. Cada metal tiene porcentaje de contracción, por tanto la precisión
dimensión es crítica, la cavidad debe diseñarme para el metal en particular que se va a fundir
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En una de las operaciones primarias del proceso consiste en calentar el metal a una temperatura lo
suficientemente alta, para transformarlo completamente al estado liquido
Después se vierte el metal líquido directamente en la cavidad del molde.
Tan pronto el material fundido empieza a enfriarse y conforme desciende la temperatura lo suficiente
empieza la solidificación que involucra un cambio de fase en el metal. Se requiere tiempo para completar
este cambio de fase, porque es necesario disipar una considerable cantidad de calor.
Durante esta fase el metal adopta la forma de la cavidad del molde y establece muchas de las
propiedades y característica de la fundición.
Una vez enfriado lo suficiente se remueve del molde.
Puede ser necesario procedimientos posteriores como es el desbaste del metal excedente de la
fundición, limpieza de la superficie y el tratamiento térmico para mejorar sus propiedades. Además puede
requerirse un maquinado para lograr tolerancias estrechas en ciertas partes de la pieza
Para desarrollar la operación de fundición, el metal se calienta a temperatura ligeramente mayor que
su punto de fusión y después se vacía en la cavidad del molde para que solidifique.
Se utilizan varios tipos de hornos para calentar el metal a la temperatura necesaria de fusión.
La energía calorífica es la suma de:
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Calor para elevar la temperatura hasta el punto de fusión.
Calor de fusión para convertir el metal de sólido a liquido.
Calor para elevar el metal fundido a la temperatura de vaciado
Para desarrollar la operación de fundición, el metal se calienta a temperatura ligeramente mayor que
su punto de fusión y después se vacía en la cavidad del molde para que solidifique.
Factores que afectan el vaciado del metal
Temperatura de vaciado: es la temperatura. del metal fundido al momento de su introducción en el
molde. También se define como la cantidad de calor que debe removerse del metal fundido entre el
vaciado y el inicio de la solidificación.
Velocidad de vaciado: Se refiere a la velocidad volumétrica a la cual se vierte el metal fundido
dentro del molde. Esta debe ser regulada, no puede ser excesiva ni muy lenta.
Turbulencia: se caracteriza por las variaciones erráticas de la velocidad a través del fluido. Este
fenómeno puede crear problemas como erosión del molde y crear óxidos metálicos.
Solidificación y enfriamiento
Después de enfriar el metal fundido en el molde, éste se enfría y se solidifica.
Los aspectos asociados a la solidificación incluyen el tiempo de enfriamiento del metal, la
contracción, la solidificación, las direcciones y el diseño de mazarotas.
La solidificación involucra el regreso del metal a estado sólido. La solidificación difiere si es un metal
puro o una aleación.
Metales Puros: Un metal puro solidifica a una temperatura constante que constituye una su punto de
congelación o punto de fusión
Aleación general: Las aleaciones se solidifican generalmente en intervalos de tiempo, no se realiza a
una temperatura única. El rango depende del sistema de aleación y de su composición en particular.
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Contracción del metal fundido
Ocurren en tres etapas:
Contracción liquida durante el enfriamiento anterior a la solidificación: La altura del metal
líquido se reduce desde el nivel inicial. La cantidad de esta concentración liquida es generalmente
alrededor del 0.5%
Contracción de solidificación: Es la contracción durante el cambio de fase de liquido a sólido. Tiene
dos efectos:
La contracción causa una reducción posterior en la altura de la fundición.
La cantidad de metal líquido disponible para alimentar la porción superior del centro de la fundición
se restringe. Esta es generalmente la última región en solidificar. La ausencia de metal crea un vacío
en este lugar, conocido como rechupe
Contracción térmica de la fundición solidificada: Esta ocurre cuando la fundición experimenta una
reducción en altura y diámetro mientras se enfría
Esta contracción se determina por el coeficiente de expansión térmica.
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Mazarotas
Son depósitos de metal fundido en el molde, su objetivo es alimentar de metal liquido al proceso
durante su enfriamiento y compensar así la contracción por solidificación, la mazarota debe permanecer
fundida hasta que la fundición solidifique
Punto de fundición de metales
Hierro (fe): El punto de fusión del hierro es de unos 1.535°C
Pirita, hematites, siderita. Estos minerales suelen estar formados por un compuesto llamado óxido.
Aluminio(Al): El punto de fusión del Aluminio es de unos 660°C
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Bauxita
Cobre (Cu): El punto de fusión del Cobre es de unos 1083°C
Calcopirita
Plata (Ag): El punto de fusión de la Plata es de unos 962°C
Cerargirita (o plata córnea), la pirargirita, la silvanita y la argentita
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Oro (Au): El punto de fusión del Oro es de unos 1063°C
Filones de rocas auríferas, asociado a otros metales (por ejemplo el cobre) y en forma de polvo o de
gránulos redondeados o achatados conocidos como pepitas; en depósitos de arena y lechos fluviales (placeres
auríferos).
Moldeo
El moldeo de metales constituye una tecnología de conformado de materiales desarrollada en los años
veinte y que ha experimentado un gran avance, fundamentalmente, en los últimos quince años. Se fabrican,
componentes para la industria médica, militar, aeroespacial, telecomunicaciones, automotriz, etc., con formas
complejas, de propiedades mecánicas elevadas y con forma casi final. Se estima que el crecimiento anual de
esta tecnología es superior al 50%.
Partes de un molde
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1. Vasija de vaciado: Entrada del metal fundido al molde.
2. Bebedero: Conducto por el cual baja el metal fundido para la alimentación del metal al molde.
3. Corredor alimentador: Vasija inferior que permite la entrada del material a la cavidad. En algunos casos se
coloca un rebosadero antes del corredor alimentador para que se atrape la escoria o partículas extrañas del
metal fundido.
4. Rebosaderos: Son espacios que pueden ser ciegos o abiertos y que sirven para permitir que la escoria del
material fundido flote y sea atrapada. También sirven para conocer si el material llenó en su totalidad la
cavidad del molde.
Fundición con molde de gravedad: En los moldes de vaciado o hueco se utilizan dos moldes
normalmente de acero, fundición o grafito, que se aproximan, manual o automáticamente, generando
en la unión la cavidad con la forma de la pieza y que se separan para expulsarla. El metal fundido se
vierte en el interior de la cavidad por gravedad o a baja presión por efecto sifón. El resultado, son
piezas con baja porosidad, buen acabado y alta exactitud dimensional. Es ideal para lotes moderados
de pocos miles de piezas con forma de casco como juguetes, ornamentos, bases de lámparas.
Como ventaja respecto a otro sistema de moldeo permanente es la facilidad del sistema de llenado de
los moldes. El inconveniente es en el caso de baja presión es la contaminación del metal por fusión de parte
del crisol y del molde. Es por ello que sólo se utiliza en aleaciones de plomo, estaño y aluminio y en casos en
que las impurezas de hierro no perjudiquen al uso de la pieza.
Moldes transitorios o perdidos: Para la confección de los moldes (desechables), se pueden emplear
diferentes materiales como: tierra sintética, arena aglomerada con aceite de lino y catalizadores, arena
revestida o una combinación de los mismos. La elección de estos materiales se determina luego de
haber evaluado dimensiones, forma, peso y cantidades estimadas a producir.
El método de fundición en arena es especialmente adecuado para la obtención de formas complicadas.
En muchos casos este procedimiento es la única solución técnica a le que se puede recurrir para moldear
piezas con machos de formas complejas.
Ventajas
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Amplia variedad de tamaños.
Geometrías de complejidad media.
Válido para cualquier aleación media.
Piezas sin tensiones residuales.
Económico: inversión en equipos reducida.
Para series cortas o prototipos
Rápido y flexible para series cortas o prototipos.
Desventajas
Tolerancias dimensionales amplias.
Aspecto y calidad superficial pobre.
Piezas con resistencia mecánica reducida.
Cierta probabilidad de defectos.
Mano de obra cualificada y especializada.
Cadencias de producción bajas (artesanal).
Almacenaje de moldes limitado
Arena De Moldeo: Para los moldes perdidos es necesario preparar la arena, añadiéndoles las
materias adecuadas para que adquieran las propiedades convenientes para el buen éxito de la colada.
Estas propiedades son:
Permeabilidad: Se debe tener esa cualidad para permitir la salida de los gases formados por el
contacto del metal fundido con arena húmeda.
Cohesión: Para facilitar el moldeo del arena y de elaboración del molde.
Refractariedad: Para resistir las altas temperaturas experimentadas en el momento del vaciado del
metal fundido.
Deslizamiento: Con esa cualidad del metal fundido pasará sin dificultad en el interior del molde hasta
que éste se llene por completo.
Facilidad de disgregación: Cuando la pieza se fundido por completo y ésta se enfrió, es necesario
deshacer el molde para obtener a la misma; de esta forma es necesario que la arena no impida
disgregar el molde para una rápida extracción de la pieza.
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Clasificación De Las Arenas De Moldeo
Ésta se puede clasificarse según su contenido de arcilla, la forma de su grano así como las
dimensiones del mismo grano.
Por el contenido de arcilla
Arenas grasas (18 por ciento de arcilla)
Arena semi-grasas (8-18% de arcilla)
Arenas magras (5-8% de arcilla)
Arenas cívicas (menos de 5% de arcilla)
Por la forma de grano
Arena de grano esfenoidal
Arena de grano angular
Arena de grano compuesto
Por la dimensión del grano
Arena de grano grueso
Arena de grano mediano
Arena de grano fino
Aglutinante: Se utilizan para la preparación de las arenas de moldeo, así como para reforzar a las
arenas, y esta manera lograr que los moldes sean resistentes y no se rompan.
Estos se clasifican de la siguiente forma
Inorgánico de tipo arcilloso: arcilla y bentonita
Inorgánico de tipo cementoso: cementos y silicatos
Orgánico: cereales, lignina, melaza, alquitrán y aceites vegetales
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Negros de fundición: Son utilizados para compensar la dilatación del arena, así como para crear una
capa aislante entre el metal y la arena, y así poder evitar el arena se haría al molde, lo cual dificultaría
su separación y su posterior pulimentado.
Estos se clasifican de la siguiente forma
Negro mineral: es polvo de hulla y se agrega al arena en porciones llevarían del 3 al 6%
Negro de estufa: está constituido por grafito, carbón de leña y arcilla, se utiliza en los moldes de arena
seca
Grafito: se utiliza para proteger a los moldes en verde aplicando se piense como sobre la calidad del
molde
Moldes En Arena Verde: Se hacen de una mezcla de arena, arcilla y agua, el término "verde" se
refiere al hecho de que el molde contiene humedad al momento del vaciado. Los moldes de arena
verde tienen suficiente resistencia en la mayoría de sus aplicaciones, así como buena refractibilidad,
permeabilidad y reutilización, también son los menos costosos. Por consiguiente, son los más
ampliamente usados, aunque también tienen sus desventajas. La humedad en la arena puede causar
defectos en algunas fundiciones, dependiendo del metal y de la forma geométrica de la pieza.
Moldes En Arena Seca Un molde de arena seca se fabrica con aglomerantes orgánicos en lugar de
arcilla. El molde se cuece en una estufa grande a temperaturas que fluctúan entre 204 ºC y 316 ºC. El
cocido en estufa refuerza el molde y endurece la superficie de la cavidad. El molde de arena seca
proporciona un mejor control dimensional en la fundición que los moldes de arena verde. Sin
embargo, el molde de arena seca es más costoso y la velocidad de producción es reducida debido al
tiempo de secado.
Sus aplicaciones se limitan generalmente a fundiciones de tamaño medio y grande y en velocidades
de producción bajas. En los moldes de capa seca, la superficie de la cavidad de un molde de arena verde se
seca a una profundidad entre 10 mm y 25 mm, usando sopletes, lámparas de calentamiento u otros medios,
aprovechando parcialmente las ventajas del molde de arena seca. Se pueden añadir materiales adhesivos
especiales a la mezcla de arena para reforzar la superficie de la cavidad.
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Moldes En Cáscara Cerámica: Es un procedimiento muy parecido al de los moldes de arena verde,
con excepción de que alrededor del modelo (aproximadamente 10 mm) se coloca arena con un
compuesto que al secar hace más dura a la arena, este compuesto puede ser almidón, linaza, agua de
melaza, etc. El material que sirve para endurecer puede ser aplicado por medio de un rociador y
posteriormente secado con una antorcha.
Proceso De Fundición A La Cera Perdida: Es un proceso muy antiguo para la fabricación de piezas
artísticas. Consiste en la creación de un modelo en cera de la pieza que se requiere, este modelo debe
tener exactamente las características deseadas en la pieza a fabricar. El modelo de cera es cubierto
con yeso o un material cerámico que soporte el metal fundido. Para que seque ese material cerámico
se introduce a un horno, con ello el material cerámico se endurece y el modelo de cera se derrite. En
el molde fabricado se vacía el metal fundido y se obtiene la pieza deseada. Es un proceso que es
utilizado para la fabricación de piezas ornamentales únicas o con muy pocas copias.
Proceso De Cáscara Cerámica: Es un proceso parecido al de la cera perdida, sólo que en este
proceso el modelo de cera o un material de bajo punto de fusión se introduce varias veces en una
lechada refractaria (yeso con polvo de mármol) la que cada vez que el modelo se introduce este se
recubre de una capa de la mezcla, generando una cubierta en el modelo. Posteriormente el modelo y
su cáscara se meten en un horno con lo que el material refractario se endurecerá y el modelo se
derrite. Así se tiene un molde listo para ser llenado con un metal y producir una fundición sólida o
hueca.
Fundición En Molde De Yeso: Cuando se desea la fabricación de varios tipos de piezas de tamaño
reducido y de baja calidad en su terminado superficial, se utiliza el proceso de fundición en molde de
yeso. Este consiste en la incrustación de las piezas modelo que se desean fundir, en una caja llena con
pasta de yeso, cuando se ha endurecido el yeso, se extraen las piezas que sirvieron de modelo y por
gravedad se llenan las cavidades con metal fundido. El sistema anterior puede producir grandes
cantidades de piezas fundidas con las formas deseadas.
Moldes En Fosa: Las piezas de fundición extremadamente grandes son moldeadas en una fosa en vez
de moldear en cajas. La fosa actúa como la base de la caja, y se usa una capa separadora encima de él.
Los lados de la fosa son una línea de ladrillos y en el fondo hay una capa gruesa de carbón con tubos
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de ventilación conectados a nivel del piso. Entonces los moldes de fosa pueden resistir las presiones
que se desarrollan por el calor de los gases, esta práctica ahorra mucho en moldes costosos.
Moldes permanentes: En este caso el molde se prepara sin ayuda de modelo alguno labrando
directamente en negativo la pieza en uno o varios bloques de metal (generalmente hierro fundido o
acero ) que viene a constituir la coquilla que dura numerosas fundiciones algunas veces los moldes
permanentes se hacen de yeso, de modo que sirvan para varias coladas con solo leves reparaciones
cuando la pieza ha de tener huecos interiores el hoyero con la caja de machos u otros utensilios, hace
los machos o hoyos convenientes. Los moldes perdidos son aptos para la colada de toda clase de
metales y para piezas de cualquier dimensión; en cambio, los moldes permanentes en coquilla se
adaptan especialmente para fundir pequeñas piezas sencillas y en gran numero de un modo particular
para metales de bajo grado de fusión (aleaciones de cobre de aluminio, de cinc, de plomo o
similares ).
Los moldes de coquilla confieren en algunas aleaciones. Características mecánicas especiales (un
grado de dureza muy elevado) por que modifican profundamente su estructura; por ello se emplean para la
colada de piezas que han de estar sometidas a un fuerte desgaste, como los cilindros de maquinas
laminadoras, ruedas para ferrocarriles, bancadas para maquinas y herramienta,
etc. Si las piezas de hierro fundido obtenido de los moldes de coquilla han de ser trabajadas posteriormente
en máquinas de herramienta deben ser sometidas a un oportuno tratamiento térmico.
Modelos De Madera: Para modelos de todos tamaños. Las maderas mas empleadas son el abeto, el
pino y el álamo entre las maderas blandas; y el nogal, el aliso, el roble y el alerce entre las más duras.
Modelos Metálicos: La fundición en moldes permanentes hechos de metal es utilizada para la
producción masiva de piezas de pequeño o regular tamaño, de alta calidad y con metales de baja
temperatura de fusión. Sus ventajas son que tienen gran precisión y son muy económicos, cuando se
producen grandes cantidades. Existen varios tipos de moldes metálicos utilizados para la fabricación
de piezas por lo regular de metales no ferrosos, a continuación se mencionan algunos de las más
utilizados.
Modelos
24
El modelo es la pieza que se pretende reproducir, pero con algunas modificaciones derivadas de la
naturaleza del proceso de fundición:
Será ligeramente más grande que la pieza, ya que se debe tener en cuenta la contracción de la misma
una vez se haya extraído del molde.
Las superficies del modelo deberán respetar unos ángulos mínimos con la dirección de desmolde (la
dirección en la que se extraerá el modelo), con objeto de no dañar el molde de arena durante su extracción.
Este ángulo se denomina ángulo de salida.
Incluir todos los canales de alimentación y mazarotas necesarios para el llenado del molde con el
metal fundido.
Si es necesario incluirá portadas, que son prolongaciones que sirven para la colocación del macho.
Fabricación del modelo
En lo que atañe a los materiales empleados para la construcción del modelo, se puede emplear desde
madera o plásticos como el uretano hasta metales como el aluminio o el hierro fundido.
Usualmente se fabrican dos semi-modelos correspondientes a sendas partes del molde que es
necesario fabricar.
Compactación de la arena alrededor del modelo. Para ello primeramente se coloca cada semi-modelo
en una tabla, dando lugar a las llamadas tablas modelo, que garantizan que posteriormente ambas partes del
molde encajarán perfectamente.
Actualmente se realiza el llamado moldeo mecánico, consistente en las compactaciones de las arenas
por medios automáticos, generalmente mediante pistones (uno o varios) hidráulicas o neumáticas.
Colocación del macho. Si la pieza que se quiere fabricar es hueca, será necesario disponer machos
que eviten que el metal fundido rellene dichas concavidades. Los machos se elaboran con arenas especiales
debido a que deben ser más resistentes que el molde, ya que es necesario manipularlos para su colocación en
el molde. Una vez colocado, se juntan ambas caras del molde y se sujetan.
Hornos para fundir los metales
La fusión consiste en hacer pasar los metales y sus aleaciones del estado sólido al estado líquido,
generando determinada cantidad de calor, bien definida y característica para cada metal o aleación.
25
Como se comprende fácilmente, después de que ha alcanzado la temperatura o punto de fusión es
necesario aplicar más calor para poder transformar el metal o la aleación de sólido a líquido.
Durante este periodo la temperatura no aumenta y la cantidad de calor generada destinada solamente a
disgregar el estado sólido, se llama calor latente de fusión. Sí cuando toda la masa es líquida, se continúa
generando calor, la temperatura vuelve a aumentar y el metal se recalienta también se debe considerar el
hecho de que hay diversos tipos hornos para fundir los materiales los cuales pueden clasificarse
convenientemente en cuatro grupos principales, según el grado de contacto que tenga lugar entre la carga y
combustible o sus productos de combustibles.
Hornos en los cuales la carga se encuentra en contacto intimo con el combustible y los productos de
combustión. El horno más importante en este grupo es el de cubilote.
Hornos en los que la carga está aislada del combustible pero en contacto con los productos de la
combustión. Este tipo de hornos es el horno hogar abierto para la fabricación de acero.
Hornos en que la carga se encuentra aislada tanto del combustible como de los productos de la
combustión. El principal es el horno que se emplea un crisol que puede calentarse ya sea por coque,
gas o petróleo.
Hornos eléctricos. Pueden ser de tipo de acero o de inducción.
Nota: No es fundamentalmente un horno de fusión, aun cuando se use en la producción de acero para
manufactura de vaciado.
Tipos de hornos para la fusión
Hornos en los cuales el metal y el combustible están mezclado:
Altos hornos: Principalmente los podemos encontrar de diez a veinte metros de altura formados por
dos troncos de cono unidos por sus bases mayores y en ellos se echa mineral, coque, fundente y
carbón vegetal por capas alternadas. Por la acción del calor se produce la fusión de la masa, quedando
el hierro en forma de fundición y formándose silicatos de aluminio, de calcio, etc.
La masa fundida se va depositando en el fondo del alto horno, en forma de crisol. Los silicatos son
más ligeros que la fundición, quedan en la parte superior de la masa líquida constituyendo las escorias, y
cuando exceden el nivel superior del crisol, salen por un orificio llamado “dama”. Al enfriarse se solidifican
y se les va retirando con unos ganchos especiales. De vez en cuando se destapan unos orificios (piqueras) por 26
donde sale el hierro fundido en forma de chorro el cual se recoge en unos canales donde se solidifica
quedando en forma de barras conocidas con el nombre de lingotes.
La fundición obtenida en los altos hornos contiene un 5 ó 6% de materias extrañas. Es muy dura y
quebradiza pero se puede taladrar bien y se presta perfectamente al moldeo.
Afino de la fundición para convertir la fundición en hierro hay que quitarle los cuerpos extraños que
contiene: Carbono, azufre, silicio, manganeso, fósforo, etc. Esta operación es lo que se conoce por afino de la
fundición, y para ella pueden seguirse dos procedimientos, según se emplee el carbón vegetal o bien el coque
o la hulla.
Método de forja catalana: consiste en tratar la fundición por carbón vegetal en exceso el cual se
hecha en un recipiente refractario de forma rectangular y encima se coloca la fundición. La
combustión se activa mediante una fuerte corriente de aire que entra por las toberas. Al fundir el
metal cae en gotas sobre la parte más caliente hogar, al pasar frente a la entrada del aire los cuerpos
extraños quedan oxidados, obteniéndose una masa de hierro casi puro.
Método inglés: el más usado comúnmente, comprende dos operaciones distintas, que son el afino y el
pudelado.
a. Afino: consiste sencillamente en colocar la fundición sobre coque incandescente, al ser fundida ira
cayendo gota a gota y con el aire que entra por las toberas se irán oxidando los cuerpos extraños que
acompañan al hierro, recogiéndose este en canales donde queda en forma de lingotes.
b. Pudelado: consiste en someter la fundición a una elevada temperatura y a una corriente de aire en un
horno de reverbero llamado horno de pudelar, donde se continúa y se termina la descarburación de la
fundición.
Por medio de hornos Siemens y convertidores Bessemer se oxida la fundición o hierro colado,
quedándose el carbono contenido y obteniéndose el acero.
27
El horno de cubilote: A pesar de que la primera patente de lo que se considera el cubilote moderno
cumplió en 1994 doscientos años de ser otorgada a John Wilkinson (Inglaterra), se puede decir que el
cubilote mantiene su diseño fundamental hasta nuestros días. Naturalmente, ha sufrido variaciones
estructurales, se le han incorporado aditamentos, se han rediseñado algunas de sus partes,
particularmente el sistema de toberas, pero su concepción inicial de horno tubular, en posición
vertical, con la entrada de la carga metálica por la parte superior y un contacto directo entre el
combustible sólido y dicha carga metálica, se ha mantenido inalterable.
Esto se debe a una causa fundamental: el cubilote posee una eficiencia de fusión alta en comparación
con los demás hornos empleados con el mismo fin. Esto se explica, porque en este tipo de horno la carga
28
metálica a fundir (arrabio, chatarra de acero, ferro-aleaciones, rechazos de la producción, etc.), está en
contacto directo con el combustible sólido (coque), que se emplea para su fusión.
Esta eficiencia de fusión se entiende como la relación que existe entre el calor potencial que hay en el
hierro fundido que sale del cubilote y el total del calor que entra al proceso (combustión de coque, procesos
de oxidación de índole exotérmica y calor sensible en el aire que se sopla dentro del horno). Así, por
ejemplo, en condiciones favorables de eficiencia, se pueden alcanzar valores algo superiores al 40 %. En
cambio, en condiciones muy desfavorables (soplo frío, revestimiento del horno en mal estado, mala
operación del horno, etc.), este valor puede descender hasta 30 % o más. Sin embargo, la eficiencia de la
combustión en este tipo de horno no sobrepasa el 60 al 70 %, lo cual es un valor bajo en comparación con los
demás hornos que queman combustible. Esto se debe, principalmente, a que no se puede hacer un uso total
del contenido calórico del coque sin interferir en los requerimientos metalúrgicos del proceso, en tanto, el
coque y sus gases de combustión son elementos activos en dicho proceso.
Por todo lo expresado hasta aquí, es que se ha afirmado que operar bien un cubilote no es tanto
controlar un proceso metalúrgico, como dirigir una combustión. Por ese motivo, todo lo concerniente a las
características del combustible empleado, así como el volumen y presión del aire que se introduce en el
horno, posee una importancia primordial para la buena marcha del mismo. Paralelo a esto, el horno debe
poseer determinadas relaciones entre sus parámetros de diseño, de manera tal que el proceso de combustión
que se produzca dentro de él permita obtener un hierro fundido a la temperatura requerida.
29
Donde:
a) Envoltura cilíndrica de chapa de acero soldada.
b) Revestimiento interno de material refractario: entre este y la envoltura se deja una capa
intermedia de unos 2 cm, rellena de arena seca, para permitir las dilataciones radiales y axiales de
refractario.
c) Chimenea y su correspondiente cobertura: Algunas veces se añade apagachispas.
d) Boca de carga: pequeña y provista de una plancha inclinada para la introducción de las cargas
cuando se realizan a mano, más amplia si se hace mecánicamente.
30
e) Cámara de aire anular: de plancha delgada, que circunda del todo o en parte la envoltura y dentro
de la cual, pasa aire o viento (enviado por una máquina soplante) para la combustión del coque.
f) Toberas: de hierro colado o chapas de acero, en forma de caja horadada y adaptada al revestimiento
para conducir el aire al interior del cubilote. En la parte correspondiente de cada tobera, la pared
exterior está agujereada y provista de portillos con mirillas (de mica o cristal) para vigilar la
combustión.
g) Piquera de escoria: Abertura dispuesta a unos 15 o 20 cm aproximadamente por debajo del plano de
toberas, inclinada de 30 a 40º, respecto a la horizontal, para facilitar la salida de la escoria.
h) Puerta lateral de encendido y limpieza: Antes de cerrarla, al comienzo de la fusión, hay que rehacer
el murete que completa el revestimiento.
i) Canal de colada, de plancha de hierro, revestido de masa refractaria: Mantiene la misma
inclinación de la solera (10º), para hacer caer el hierro fundido en el caldero de colada.
j) Solera a fondo de cubilote: Consiste en arena de moldeo apisonada e inclinada 10º hacia la piquera
de sangría del horno.
k) Plancha base de envoltura cilíndrica: De hierro colado o chapa fuerte. En su centro hay una
abertura del diámetro de la solera, que puede cerrarse con un portillo de descarga de uno o dos
batientes que se abren hacia abajo por medio de un cerrojo, de una palanca o quitando el puntal. A
través de ella se descarga el contenido de coque de la cama, al final de la operación del horno.
l) Columnas de apoyo: Casi siempre son cuatro, de hierro fundido y son sostenidas a su vez por unos
cimientos de ladrillos de hormigón.
m) Crisol: Es la parte inferior del cubilote comprendido entre la solera y el plano de las toberas. Se
estima que el metal ocupa en él, el 46 % del volumen. El 54 % restante está ocupado por coque
incandescente.
Hornos donde el metal y el combustible no están mezclados
Hornos de crisol fijo: Es el procedimiento más antiguo para obtener acero en estado líquido
homogéneo, con dosificación exacta y sin inclusiones gaseosas. Los crisoles son de arcilla refractaria
a la cual se le añade el coque y arcilla ya cocida. También se fabrican crisoles de grafito (15 a 75 %)
adicionado de arcilla refractaria y de arena el crisol dura más cuanto más grafito contiene. Los
crisoles se calientan en un horno de recuperadores calentado como el horno Martín Siemens. La
solera puede admitir 24 crisoles, que cargan cada uno 10 a 50 kg. de metal. En los crisoles se puede
31
fundir acero cementado, hierro y una cierta cantidad de arrabio para tener el contenido de carbono
deseado y mezclas convenientemente dosificadas.
Los aceros al crisol son productos de segunda fusión no hay afino. La carga está afuera de la acción
del combustible y de la atmósfera del horno (los crisoles llevan tapas). Por el bajo rendimiento térmico de los
hornos de los crisoles y por el gran consumo de crisoles el costo del producto resulta elevado y por esta razón
este método se limita solamente a la fabricación de aceros especiales.
Hornos donde la carga está aislada del combustible pero en contacto con los productos
de la combustión
Horno Siemens-Martín: Los hornos Siemens-Martin pertenecen al tipo de hornos de reverbero y se
caracterizan por tener un sistema recuperador de calor que permite que el aire y los gases empleados
por la combustión sean precalentados. La fabricación del acero Siemens-Martin está basada en los
principios siguientes:
Se transforma el arrabio en acero por dilución añadiendo al arrabio líquido productos menos
carburados para que disminuya el contenido de carbono del conjunto. La adición es de chatarra de
acero. Este proceso se denomina de arrabio y chatarra.
32
Se produce una oxidación del “C” añadiendo arrabio líquido, óxidos de Hierro. La mayor parte del
oxígeno necesario para la descarburación procede del mineral y el resto de la atmósfera del horno. El
proceso se llama arrabio y mineral.
Funcionamiento del horno Siemens-Martin: el gas combustible procedente del alto horno o de gasógenos
se envía por la válvula sobre los emparrillados de ladrillo y entra en el laboratorio por el canal.
El aire comburente es enviado por la válvula sobre los emparrillados de ladrillos y se desemboca
recalentando en el horno por el conducto, la llama pasa por la superficie del baño y los humos salen por los
canales, alcanzando los emparrillados de los recuperadores, escapando por la chimenea por el fuego de las
válvulas.
Periódicamente se invierte el sentido de la corriente gaseosa girando 90º las válvulas. El tiempo que
transcurre entre 2 inversiones es variable; al principio del afino es de 30 minutos y al final de la operación, de
15 minutos. Las inversiones son tan frecuentes para evitar la fusión de los conductos y la bóveda cuando
alcanzan la temperatura máxima de 1600o C. Espesor del baño 40 a 50 cm. El procedimiento dura de 6 a 9
horas. Al terminar el procedimiento se pincha el agujero de colada para poder vaciar el acero líquido a
cucharas y después a lingoteras.
Hornos eléctricos
En estos momentos, el acero obtenido en horno eléctrico representa el 75 % de la producción total.
Este hecho contribuye favorablemente a la conservación del medio ambiente, pues la energía eléctrica, a
33
diferencia del carbón, no emite anhídrido carbónico al ser utilizada. Además, las empresas siderúrgicas
intensifican su producción en horas nocturnas, en sábados y festivos, cuando la generación de electricidad,
mediante plantas nucleares, alcanza una proporción muy superior a la media.
Pero, además de estas ventajas, del horno eléctrico se pueden citar otras. Éste se alimenta de chatarra
férrica, que se obtiene recuperando residuos para convertirlos en materia prima.
Horno de inducción eléctrica: En estos hornos el calentamiento viene a causa de las corrientes
inducidas en la masa metálica por una bobina, que circunda el crisol, alimentada por una corriente
alterna.
La bobina es constituida de muchos espirales de tubo de cobre refrigerado por agua , las corrientes
inducidas se ponen en la periferia de la masa metálica y circulan en un estado anular de pequeño espesor.
Este anillo constituye un espiral cerrado en corto circuito y funciona como el secundario de un transformador
cuyo primario es la bobina exterior. Como se trata de un solo espiral las corrientes inducidas tienen una
intensidad elevada y por esta razón el calentamiento de la masa metálica viene con rapidez (se puede alcanzar
temperaturas entre 2800 y 3000 o C).
Horno de arco eléctrico directo: El horno eléctrico se introdujo por primera vez en Estados Unidos
en 1906. Son procedimientos que han alcanzado gran difusión, pues permiten obtener aceros muy
puros, resistentes y uniformes. En los hornos, el calor se genera mediante el arco eléctrico, por la
resistencia que la masa de hierro presenta al paso de la corriente o por la producción en aquella masa
de las llamadas corrientes de Foucault. En uno de estos procedimientos, se funde en un crisol de
arcilla refractaria, hierro dulce de elevada pureza, con cantidades perfectamente medidas de fundición
de hierro. Obteniéndose así aceros que se emplean en la fabricación de herramientas de precisión e
34
instrumentos delicados. La fuente de calor es un arco eléctrico continuo, que se forma entre los
electrodos y el metal cargado.
En este tipo de hornos se generan temperaturas tan altas como 1925°C (3500°C). Existen
normalmente tres electrodos de grafito, que pueden ser de hasta 750 mm (30 pulg) de diámetro y de 1.5 a 2.5
m (5 a 8 pies) de longitud. Su altura dentro del horno se puede ajustar en respuesta a la cantidad de metal
presente y al desgaste de los electrodos.
En el horno eléctrico se introduce chatarra de acero y una pequeña cantidad de carbono y de cal a
través del techo abierto. (Los hornos eléctricos también se pueden cargar con 100% de chatarra.) El techo se
cierra y se bajan los electrodos. Se establece la conexión y dentro de un periodo de aproximadamente 2
horas, el metal se funde. La corriente entonces es desconectada, se elevan los electrodos, el horno es
inclinado y el metal fundido es vaciado en una olla de traslado, que es un recipiente utilizado para la
transferencia y vaciado del metal fundido.
Las capacidades de los hornos eléctricos van de 60 a 90 toneladas de acero por día. La calidad del
acero producido es mejor que el de hogar abierto o del proceso de oxígeno básico.
Horno de arco eléctrico indirecto: Este tipo de horno consta de un crisol elaborado en material
refractario, el cual se encuentra rodeado por una caja constituida de ladrillo refractarios; en sus
paredes laterales, la caja tiene un par de orificios opuestos por donde se colocan horizontalmente dos
electrodos de grafito comprimido los cuales a su vez están conectados un transformador, igual que en
el horno de algo eléctrico directo, este horno tiene una puerta de carga y la boca del horno, además se
cuenta con un mecanismo que inclina completamente el conjunto para la extracción de las escorias y
el acero.
35
Este horno trabaja de similar forma que el horno de arco eléctrico directo empleando las mismas
materias primas, con excepción de la generación del arco eléctrico. En el horno de arco eléctrico directo, el
arco se produce entre los electrodos verticales y el metal mientras que para este se produce entre los dos
electrodos horizontales al acercarse lo suficiente uno al otro.
Clasificación de los hornos usado para la fusión
Los hornos que se usan para fundir metales y sus aleaciones varían mucho en capacidad y diseño.
Varían desde los pequeños hornos de crisol que contienen unos cuantos kilogramos de metal a hornos de
hogar abierto hasta 200 toneladas de capacidad. El tipo de horno usado para un proceso de fundición queda
determinado por los siguientes factores:
Necesidades de fundir la aleación tan rápidamente como sea posible y elevarla a la temperatura de
vaciado requerida.
La necesidad de mantener tanto la pureza de la carga, como precisión de su composición.
La producción requerida del horno.
El costo de operación del horno.
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Herramientas, equipos y medios auxiliares para la fundición
Durante la ejecución de los diversos trabajos que el obrero moldeador o fundidor realiza en la fábrica,
sean artesanales o con algún desarrollo, es necesario utilizar distintos tipos de herramientas manuales para
formar los moldes.
Tipos de herramientas:
palas
picos y horquillas
reglas
agujas de ventilar
paletas de alisar
alisadores
espátulas
puntas o extractores de moldeo
martillos y macetas
mordaza o presillas
Fase
Porción físicamente homogénea y distinta de un sistema de un material. Región físicamente uniforme
que difiere en estructura y/o composición de otra región.
Diagramas de Fase
También se conocen como Diagramas de Constitución o de Equilibrio, son representaciones gráficas
de las fases que están presentes en un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y
composiciones, bajo condiciones de equilibrio. En sistema de metales, la presión generalmente se considera
constante.
37
Equilibrio
Condición dinámica de balance entre movimientos atómicos en los que la resultante es cero y la
condición aparenta ser una de reposo en vez de una de cambio. Un sistema está en equilibrio sino tienen
lugar cambios con el tiempo.
Tratamiento térmico
Calentar o enfriar un metal o aleación sólida en tal forma que se obtengan las condiciones o
propiedades deseadas. En esta definición no se incluye el calentar con el solo propósito de trabajar en
caliente.
CONDICIONES DE EQUILIBRIO EN FASES DE ALEACIONES BINARIAS.
TIPO I. DOS METALES COMPLETAMENTE SOLUBLES EN LOS ESTADOS LÍQUIDO Y SÓLIDO.
Cada curva de enfriamiento es un experimento separado que se inicia desde el tiempo cero. Las
curvas de enfriamiento para los metales puros A y B muestran sólo una línea horizontal, porque el inicio y fin
de la solidificación tienen lugar a temperatura constante; sin embargo como las composiciones intermedias
forman una solución sólida, estas curvas muestran dos cambios de pendiente. Todas las composiciones de
aleaciones intermedias mostrarán un tipo de curva de enfriamiento semejante. Al unir todos los puntos que
muestran el inicio de la solidificación (con una línea superior) y todos los puntos que indican el fin de la
solidificación (línea inferior), se obtendrá la forma del Diagrama de Fase.
Liquidus : en un diagrama de fases, el lugar geométrico de todos los puntos que representan las
temperaturas a las que diversas composiciones en el sistema empiezan a congelar al enfriar o
terminan de fundir al calentar.
Solidus : en un diagrama de fases, lugar geométrico de todos los puntos que representan las
temperaturas a las cuales diversas composiciones terminan de congelar al enfriar o empiezan a fundir
al calentar.
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Regla I: Composición química de las fases.
Para determinarla en una aleación, en equilibrio a cualquier temperatura específica en una región
bifásica, se debe trazar una línea horizontal para la temperatura, llamada línea vínculo, a las fronteras del
campo. Estos puntos de intersección se abaten a la línea base (o eje de abscisas) y la composición se lee
directamente.
Regla II: Cantidades relativas de cada fase o Regla de la Palanca.
Para determinar las cantidades relativas de las dos fases en equilibrio, a cualquier temperatura
específica en una región bifásica, se debe trazar una línea vertical que representa la aleación y una línea
horizontal (como la temperatura), a los límites del campo. La línea vertical dividirá a la horizontal en dos
partes cuyas longitudes son inversamente proporcionales a la cantidad de las fases presentes.
Enfriamiento en equilibrio de una aleación de solución sólida
El muy lento enfriamiento, bajo condiciones de equilibrio de una aleación cualquiera, permite
observar los cambios de fase que ocurren.
Cuando una aleación de solución sólida es enfriada lentamente, su microestructura mostrará
solamente granos y límites de grano. No habrá diferencia en la composición química en el interior de los
granos, indicando que la difusión (última etapa antes de completarse la solidificación) ha homogeneizado los
granos.
Segregación Dendrítica
Composición variable entre el centro y la superficie de una unidad de estructura (como dendrita,
grano, partículas de carburo) resultante el crecimiento fuera de equilibrio que ocurre sobre un intervalo de
temperatura.
39
Homogeneización
Tratamiento térmico de una aleación encaminada a hacerla uniforme en composición, eliminando la
segregación dendrítica y los gradientes de concentración.
TIPO II. DOS METALES COMPLETAMENTE SOLUBLES EN ESTADO LÍQUIDO Y
COMPLETAMENTE INSOLUBLES EN ESTADO SÓLIDO.
Este diagrama de fase puede diseñarse a partir de una serie de curvas de enfriamiento de manera
análoga a la empleada para el diagrama de solución sólida descrita anteriormente, pero en este caso, las
curvas experimentales muestran diferente tipo de comportamiento. Las curvas de enfriamiento para metales
puros A y B no varían, se mantiene una temperatura constante durante el congelamiento. Pero en las
composiciones se observa que a medida que se agrega B a A, la temperatura para el comienzo de la
solidificación disminuye. A medida que se agrega A a B, la temperatura para el comienzo de la solidificación
para aquellas aleaciones también disminuye. Por tanto, como cada metal disminuye el punto de congelación
del otro, la línea liquidus mostrará un mínimo, conocido como Punto Eutéctico (E).
Nótese que una porción la curva de enfriamiento que muestra el final de la solidificación se presenta a
una temperatura fija, la Temperatura Eutéctica (TE).
Aun cuando la congelación de la composición Eutéctica se parece a la de un metal puro, no lo es, ya
que más adelante se verá que el sólido resultante está constituido por dos fases.
Se pueden aplicar las Reglas I y II vistas anteriormente.
REACCIÓN EUTÉCTICA
Reacción isotérmica reversible en que una solución líquida se convierte en dos o más sólidos
íntimamente mezclados al enfriar, cuyo número de sólidos formados es el mismo que el de componentes que
integran el sistema. En este caso será:
40
Líquido A sólida + B sólidaCalentamiento
Enfriamiento
Mezcla Eutéctica
Líquido + Calentamiento
Enfriamiento
Mezcla Eutéctica
TIPO III. DOS METALES COMPLETAMENTE SOLUBLES EN ESTADO LÍQUIDO Y
PARCIALMENTE SOLUBLES EN ESTADO SÓLIDO.
Como la mayoría de los metales muestran alguna solubilidad de uno con otro en el estado sólido, este
tipo es el más común y, por tanto, el más importante sistema de aleación. Pueden emplearse las Reglas I y II,
para determinar datos de las fases.
Este diagrama de fase muestra los puntos de fusión de los dos metales puros TA y TB y el punto
eutéctico E, además se observan las líneas liquidus y Solidus.
Por encima de la línea liquidus hay sólo una solución líquida de fase única. En las aleaciones en este
sistema, los cristales de A puro o de B puro nunca solidifican, sino que siempre solidifican una aleación o
una mezcla de soluciones, pueden marcarse las áreas de fase única y de la solución sólida, como estas
soluciones están cercanas a los ejes, son llamadas soluciones sólidas terminales.
En este caso, la reacción Eutéctica será:
Solvus
En un diagrama de fases, lugar geométrico de todos los puntos que representan las temperaturas a las
que las diversas composiciones de las fases sólidas coexisten con otras fases sólidas, es decir, los límites de
solubilidad sólida.
41
ENDURECIDO POR ENVEJECIMIENTO
Sólo hay dos métodos principales para aumentar la resistencia y la dureza de una aleación dada:
Trabajo en Frío y Tratamiento Térmico.
El proceso de tratamiento térmico más importante para aleaciones no ferrosas es el de Endurecido por
Envejecimiento o por Precipitación. Deben escogerse aleaciones que muestren solubilidad sólida parcial y la
pendiente de la línea solvus debe ser tal que a mayor solubilidad mayor temperatura, o sea que
habitualmente se escogen composiciones que se encuentren a la izquierda del punto F del diagrama (solución
sólida).
Generalmente, se necesitan dos etapas en un tratamiento térmico para producir endurecido por
envejecimiento: Tratamiento de Solución y Envejecido.
1. Tratamiento térmico de solución: calentar una aleación a una temperatura adecuada, manteniéndola a
esa temperatura durante un tiempo lo suficientemente largo para permitir que uno o más constituyentes () se
disuelvan para formar una solución sólida homogénea, y luego enfriar rápidamente (con agua fría o por
rocío de agua, en algunos casos con agua en ebullición) a temperatura ambiente para mantener los
constituyentes en solución. La solución se deja en un estado sobresaturado e inestable.
2. Proceso de envejecido: es cuando un metal o aleación sufre un cambio de propiedades que habitualmente
ocurre con lentitud a temperatura ambiente y con más rapidez a temperaturas superiores. La temperatura
óptima va a ser aquella a la que ocurre el máximo endurecimiento dentro de un tiempo razonable.
Este proceso no tiene el mismo efecto sobre las propiedades de todas las aleaciones. En algunas
aleaciones, el cambio en dureza y resistencia puede ser pequeño; en otras, los cambios pueden ser grandes.
Esto no se debe a la cantidad disuelta en exceso del límite de saturación, sino al efecto del precipitado en la
distorsión reticular. Observa la siguiente figura donde se visualizan los cambios durante el tratamiento.
42
Líquido + sólido A Sólido AmBnCalentamiento
Enfriamiento
AB
Líquido
AmBn
Esquema de la reacción Peritéctica. La envoltura de AmBn aumenta en espesor por la difusión de átomos A hacia fuera y átomos B hacia adentro.
TIPOV: LA REACCIÓN PERITÉCTICA. Este tipo estudiará la fase intermedia incongruente de fusión. En
la reacción peritéctica, un líquido y un sólido reaccionan isotérmicamente para formar un nuevo sólido al
enfriarse. En general, la reacción se expresa como:
El nuevo sólido formado suele ser una fase intermedia como se muestra en el diagrama, pero en
algunos casos puede ser una solución sólida terminal
43
Sólido1Calentamiento
Enfriamiento sólido 2 + sólido3
Mezcla Eutéctica
+ Calentamiento
Enfriamiento
Mezcla Eutéctica
TRANSFORMACIONES EN EL ESTADO SÓLIDO
Hay diversos cambios de equilibrio y reacciones que tienen lugar por entero en el estado sólido, una
de ellas es:
LA REACCIÓN EUTECTOIDE. Esta es una reacción común en el estado sólido, muy semejante a la
reacción eutéctica, pero no incluye al líquido. En este caso, una fase sólida se transforma, al enfriarse,
en dos fases sólidas nuevas. Puede escribirse como:
La mezcla eutectoide resultante es extremadamente fina, como la mezcla eutéctica. Bajo el
microscopio, ambas mezclas aparecen generalmente iguales.
La reacción puede escribirse como:
44
Temperatura, ºF
2800
2554
1666
1414
Tiempo
Líquido
Fe (delta) B.C.C.
Fe (alfa) B.C.C. no magnético
Fe (gamma) F.C.C. no magnético
Fe (alfa) B.C.C. magnético
UNIDAD V. DIAGRAMA HIERRO – CARBONO
Hierro: constituyente fundamental de algunas de las más importantes aleaciones de la
Ingeniería. El hierro es un metal alotrópico, lo cual significa que puede existir en más de un
tipo de estructura reticular, dependiendo de la temperatura. La curva de enfriamiento para
hierro puro sería la siguiente:
Todos los cambios alotrópicos ceden calor (reacción exotérmica) cuando el hierro se
enfría y absorben calor (reacción endotérmica) cuando el mismo se calienta.
Una forma casi pura del hierro, es el conocido hierro dulce, que se utiliza en
alcantarillas para drenaje, material para techos y conductos, entre otros.
El hierro forjado es esencialmente un metal de dos componentes que consta de
hierro de alta pureza y escoria. La escoria se compone principalmente de silicato de hierro.
Las pequeñas y uniformemente distribuidas partículas de escoria existen separadas del
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Líquido + (austenita)Calentamiento
Enfriamiento
Líquido austenita + cementita
Mezcla eutéctica-ledeburitaCalentamiento
Enfriamiento
hierro. No hay fusión o relación química entre la escoria y el hierro. Es usado para tubería
ordinaria, clavos, alambres de púas, remaches y formas estructurales, además de
aplicaciones en construcción de barcos y en la industria petrolera, entre otros.
Diagrama hierro – carburo de hierro
La temperatura a que tienen lugar los cambios alotrópicos en el hierro está influida
por los elementos de aleación, de los cuales el más importante es el Carbono. Este diagrama
presenta la porción de interés del sistema de aleación hierro-carbono. Esta es la parte entre
hierro puro y un compuesto intersticial, carburo de hierro, Fe3C, que contiene 6.67% de
carbono por peso. Este diagrama representa los cambios en equilibrio, bajo condiciones de
calentamiento y enfriamiento relativamente lentos.
El diagrama muestra tres líneas horizontales que indican reacciones isotérmicas. La
primera se observa a 2720ºF, donde se produce una reacción peritéctica, la cual se puede
escribir mediante la siguiente ecuación:
A la temperatura de 2065ºF se muestra una reacción eutéctica. Cualquier líquido
que esté presente cuando se alcance esta línea debe solidificar en la muy fina mezcla íntima
de las dos fases que están en cualquier extremo de la línea horizontal: austenita y carburo
de hierro (cementita). Esta mezcla eutéctica se llama ledeburita, y la ecuación se escribe
como:
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Líquido ferrita + cementita
Mezcla eutectoide - perlitaCalentamiento
Enfriamiento
La mezcla eutéctica generalmente no se ve en la microestructura, ya que la austenita
no es estable a temperatura ambiente y debe sufrir otra reacción durante el enfriamiento.
A 1666ºF se presenta el cambio de estructura cristalina de hierro puro F.C.C. a
B.C.C. Esa área es una solución sólida de una pequeña cantidad de carbono disuelto en Fe
B.C.C. y se llama ferrita.
La tercera línea horizontal, a 1333ºF, del diagrama representa una reacción
eutectoide. Cualquier austenita presente debe ahora transformarse en la muy fina mezcla
eutectoide de ferrita y cementita, llamada perlita. La ecuación se escribe así:
Por debajo de la línea de temperatura eutectoide, cada aleación consistirá de una
mezcla de ferrita y cementita.
Si se toma como base el contenido de carbono, es práctica común dividir el
diagrama hierro-carburo de hierro en dos partes. Aquellas aleaciones que contienen menos
del 2% de carbono se conocen como ACEROS, y aquellas que contienen más del 2% de
carbono se conocen como HIERROS FUNDIDOS.
DEFINICIÓN DE ESTRUCTURAS
Definiremos los nombres que se asignan a las estructuras del diagrama:
Cementita o carburo de hierro, fórmula química Fe3C, contiene 6.67% de Carbono
por peso. Es un compuesto intersticial típicamente duro y frágil de baja resistencia,
pero de alta resistencia compresiva. Es la estructura más dura que aparece en el
diagrama. Su estructura cristalina es ortorrómbica.
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Austenita es el nombre dado a la solución sólida. Es una solución sólida intersticial
de carbón disuelto en hierro F.C.C. La máxima solubilidad es del 2% de C a
2065ºF. Generalmente no es estable a temperatura ambiente y sus propiedades
promedio son:
Ledeburita es la mezcla eutéctica de austenita y cementita; contiene 4.3% de C y se
forma a 2065ºF.
Ferrita es el nombre dado a la solución sólida. Es una solución sólida intersticial
de una pequeña cantidad de carbón disuelto en hierro B.C.C. La máxima
solubilidad es 0.025% de C a 1333ºF, y disuelve sólo 0.008% de C a temperatura
ambiente. Es la estructura más suave que aparece en el diagrama.
Perlita es la mezcla eutectoide que contiene 0.80 % de C y se forma a 1333 ºF a un
enfriamiento muy lento. Es una mezcla muy fina, tipo placa o laminar de ferrita y
cementita.
Curvas de enfriamiento – Diagramas T-I
Una curva de enfriamiento se determina experimentalmente colocando un termopar
en un lugar definido en una muestra de cero y luego midiendo la variación de la
temperatura con el tiempo. Como sus coordenadas son las mismas de un diagrama T-I, es
posible sobreponerlas. A fin de analizar cómo durante la rapidez de enfriamiento, la
estructura del material se va transformando, dependiendo del tipo de tratamiento térmico
aplicado a la muestra. Esto es:
Muestra con recocido convencional (rapidez de enfriamiento muy lenta). El
diagrama indica que el material se mantendrá austenítico por un periodo
relativamente largo y luego la transformación comenzará en perlita muy gruesa
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hasta perlita gruesa de baja dureza (Rockwell C 15). Luego de aquí no habrá más
cambios.
Muestra normalizada (rapidez de enfriamiento mayor que el recocido). El diagrama
indicará que la transformación empezará con la formación de perlita gruesa en
menor tiempo que el recocido, y finalizará al formarse perlita media (Rockwell C
30).
Muestra de un temple lento en aceite, es parecida a las anteriores, y la
microestructura será la mezcla de perlita media y fina (Rockwell C 40).
Muestra de temple drástico, es suficientemente rápida para evitar la transformación
de la región de la nariz. Se conserva austenítica hasta la transformación a martensita
con alto grado de dureza (Rockwell C 64)
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Nótese que es posible formar 100% de perlita o 100% de martensita mediante un
enfriamiento continuo, pero no es posible formar 100% de bainita. Una estructura bainítica
completa puede formarse sólo mediante un enfriamiento suficientemente rápido, para pasar
por alto la nariz de la curva y luego mantenerla en el intervalo de temperatura en el que se
forma la bainita, hasta que se termina la transformación.
Transformación a enfriamiento continuo: Tomando en cuenta que la mayoría de los
tratamientos térmicos incluyen la transformación a enfriamiento continuo, es posible
derivar del diagrama T-I este otro diagrama T-E (transformación-enfriamiento), que indica
el tiempo necesario para que una fase descomponga de manera continua en otras fases a
diferentes velocidades de enfriamiento.
La derivación de un diagrama T-E es una labor tediosa, y muchas veces no esencial.
Los estudios isotérmicos a la clasificación de microestructuras de acero transformadas
durante el enfriamiento continuo, y con el diagrama T-I es posible ver en qué etapa del
ciclo de enfriamiento se forman las diferentes estructuras. El diagrama T-I es útil para
planear los tratamientos térmicos y para entender por qué el acero responde y cómo lo hace
a un tratamiento térmico específico, pero no puede utilizarse directamente para predecir con
exactitud el curso de la transformación bajo un enfriamiento continuo.
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