Download FUNDICIÓN
Document related concepts
no text concepts found
Transcript
La fundición o colado, es el proceso de formar objetos vertiendo liquido o material viscoso en un molde o forma preparados. Un colado es un objeto formado al permitir que el material se solidifique. Una fundición es la colección de los materiales necesarios y el equipo para producir un colado. Prácticamente todo metal de manera inicial se cuela. El lingote del cual se produce un metal dulce primero se cuela en un molde de lingote. Un molde es un recipiente que tiene la cavidad (o cavidades) de la forma que va a colarse. Pueden verterse líquidos; algunos líquidos y todos los materiales plásticos viscosos se introducen por presión en los moldes. La fundición es una de las industrias más antiguas en el campo del trabajo de los metales y se fecha aproximadamente en 4000 A.C. Desde tan temprana época se han empleado muchos métodos para colar diversos materiales. El colado en arena y sus ramificaciones reciben primera atención ya que son los que mas se usan; más de 90% de todos los colados son colados en arena. El colado en arena es muy adecuado para el hierro y el acero a sus altas temperaturas de fusión, pero también predomina para el aluminio, latón, bronce y magnesio. PRINCIPIOS DEL COLADO EN ARENA Los colados tienen propiedades específicas importantes en la ingeniería; estas propiedades pueden ser metalúrgicas, físicas o económicas. Los colados con frecuencia son más baratos que las forjas o las soldaduras, dependiendo de la cantidad, el tipo de material y el costo de los modelos en comparación con el costo de los dados para forja y el costo de monturas y dispositivos de fijación para las soldaduras. Como es el caso, hay elecciones lógicas para las partes y estructuras de ingeniería. Algunas de las características de interés especial que han de tomarse en cuenta para obtener colados diseñados de manera adecuada son las siguientes. Los colados apropiadamente diseñados y producidos no tienen propiedades direccionales. No existe estructura laminada o segregada como sucede cuando el metal se trabaja después de la solidificación. Por ejemplo, esto significa que la resistencia es la misma en todas las direcciones, y esta característica es muy útil en algunos engranes, anillos de piston, camisas de cilindros de motores. etc. La capacidad del metal fundido para fluir dentro de secciones estrechas de diseño complicado es una característica muy deseable. El hierro colado es único ya que tiene buenas características de amortiguación que son deseables en la producción de bases para maquinas herramientas, bastidores de motor y otras aplicaciones donde es deseable minimizar la vibración. El molde. Los buenos colados no pueden producirse sin buenos moldes. Dada la importancia del molde, los procesos del colado se describen por el material y el método empleado para el molde. Por tanto los colados en arena pueden hacerse en (1)moldes de arena verde, (2)moldes de arena seca, (3)moldes de corazón de arena, (4)moldes de arcilla, (5) moldes de cáscara y (6) moldes ligados con cemento. Los principales métodos para hacer estos moldes se llaman (1) moldeo en banco, (2) moldeo en máquina, (3) moldeo en el piso y (4) moldeo en fosa. En la producción de un molde en arena, es de gran valor la habilidad del moldeador. Debe saber como preparar un molde con las siguientes características: 1.- El molde debe ser lo suficientemente fuerte para sostener el peso del metal. 2.- El molde debe resistir la acción de la erosión del metal que fluye con rapidez durante colado. 3.- El molde debe generar una cantidad mínima de gas cuando se llena con el metal fundido. Los gases contaminan el metal y pueden alterar el molde. 4. El molde de be construirse de modo que cualquier gas que se forme pueda pasar a través del cuerpo del molde mismo, mas bien que penetrar el metal. 5. El molde debe ser suficientemente refractario para soportar la alta temperatura del metal y poderse desprender con limpieza del colado después del enfriamiento. 6. El corazón debe ceder lo suficiente para permitir la contracción del colado después de la solidificación. Una caja de moldear es un bastidor de madera o metal en el cual se hace un molde. Debe ser fuerte y rígida para que no se distorsione cuando se manipule o cuando se apisone arena dentro de ella. Debe resistir también la presión del metal fundido durante el colado. Los pasadores y herrajes alinean y fijan las secciones de la caja de moldeo. Se desgastan en servicio y deben ser vigilados para evitar moldes corridos o cambiados de lugar. Una caja de moldeo esta hecha de dos partes principales, la semicaja superior y la semicaja inferior. Cuando son necesarias más de dos secciones de una caja de moldeo para aumentar la profundidad de la semicaja superior y/o la semicaja inferior, se usan secciones intermedias en la caja de moldeo conocida como cachetes. En la figura 8-1 se muestra un diagrama de un molde típico y sus partes principales. Las características y funciones de las partes se explicaran conforme corresponda en el texto. El comportamiento del metal colado. Cuando se vierte metal fundido en un molde, el colado empieza a enfriarse desde el interior a las superficies limitantes, debido a que el calor puede fluir solo hacia afuera a través del molde. El metal en la superficie se enfría ya que al principio el molde esta relativamente frió. Si el enfriamiento es severo, la superficie puede endurecerse en forma apreciable. En las condiciones usuales se produce una estructura de grano fino cerrado cerca de la superficie y granos más gruesos hacia el centro donde el enfriamiento es más lento. Si una sección es gruesa, puede retirarse suficiente metal por contracción del centro antes de que enfríe y deje un vacío o cavidad. Tal defecto en el colado puede evitarse proporcionando una masa suplementaria de metal, llamada rebosadero, adyacente al colado, El propósito del rebosadero es alimentar metal liquido por gravedad dentro del cuerpo del colado para mantenerlo lleno. El rebosadero se corta después de que ha enfriado el colado. Las secciones delgadas se enfrían con más rapidez que las gruesas. Un resultado es que les beneficia más un "efecto de enfriamiento brusco y pueden ser mas fuertes y con grano mas fino. Esto se indica para un tipo de material en la figura 8-3. En el otro extremo, si una sección es demasiado delgada, el metal que fluye en el pasaje estrecho puede solidificarse antes de que tenga oportunidad de llenar por completo en la pared. El límite mas bajo practico del espesor de la sección depende del diseño del colado y la fluidez del metal. El hierro puede manipularse con comodidad y colarse arriba de su temperatura de fusión y en general se cuela en secciones tan delgadas como 3 mm (1/8 in). El acero funde a una temperatura mucho mas alta que la del hierro, y se recomienda un espesor mínima de 5 mm (3/16 in).El fósforo aumenta la fluidez pero debilita el hierro, y algunos fundidores prefieren menos fósforo y temperatura mas alta de colado. El aluminio puede colarse con paredes tan delgadas como de 3 a 5 _mm (1/8 a 3/16 in). Las secciones de espesores diferentes se enfrían a velocidades distintas. Esto conduce a dificultades si no se diseña un colado con secciones uniformes. Las paredes que se contraen a velocidades diferentes tiran unas de otras y establecen esfuerzos residuales. Esta situación puede evitarse proporcionando cambios graduales en los espesores donde se unen secciones de distintos tamaños. Una sección gruesa puede estar en un colado donde no pueda alimentarse con facilidad por un rebosadero, en particular si debe alimentarse a través de secciones estrechas que solidifican primero, y por tanto desarrollaran vacíos o desgarres. Las concentraciones de metal o puntos calientes de esta clase se indican en la figura 8-4. La corrección esta en el diseño del colado para hacer uniformes las secciones. Un remedio puede ser enfriar el metal en el punto caliente para hacer que solidifique antes que las secciones adyacentes las cuales pueden alimentarse mas directamente conforme se enfrían. Compuertas, (estrechamientos) rebosaderos y enfriadores. Las compuertas (estrechamientos), rebosaderos y enfriadores están relacionados en forma estrecha. La función de un sistema de compuertas en un molde es suministrar el metal líquido a la cavidad del molde. La función del rebosadero es almacenar y suministrar metal líquido para compensar la contracción de solidificación en las secciones pesadas. La función del enfriador es causar que ciertas secciones de un colado solidifiquen antes que otra, con frecuencia ayuda a disminuir con propiedad el suministro de metal de los rebosaderos. Un buen sistema de compuertas puede anularse por una aplicación deficiente de los rebosaderos. El uso inapropiado de enfriadores puede provocar que se envíen a la chatarra colados con buen sistema de compuertas y adecuadamente alimentados. Compuertas. Un buen ejemplo de un sistema de compuertas en un molde se muestra en la figura 8-5. El sistema de compuertas debe (1) introducir el metal fundido en el molde con tan poca turbulencia coma sea posible, (2) regular la velocidad de entrada del metal; (3) permitir el llenado completo de la cavidad del molde y (4) promover un gradiente de temperatura dentro del colado para ayudar a que el metal solidifique con el menor conflicto entre secciones. Los siguientes principios ayudan a lograr los objetivos que acaban de listarse para un buen sistema de compuertas. El bebedero debe tener forma cónica, y el extremo mas grande que recibe el metal actuará como deposito. En general, se prefiere un bebedero redondo con diámetros hasta de cerca de 20mm (cerca de ¾ de in) pero con frecuencia los bebederos más grandes se hacen rectangulares. Hay menos turbulencia en un bebedero rectangular, pero un bebedero circular tiene una superficie mínima expuesta al enfriamiento y ofrece menor resistencia al flujo. Los sistemas de compuertas que tienen cambios repentinos en dirección causan un llenado más lento de la cavidad del molde, se erosionan con facilidad y provocan turbulencia en el metal líquido que resulta en captación de gas. En particular deben evitarse vueltas en ángulo recto. Debe existir una relación entre los tamaños del bebedero, canales y compuertas para lograr las mejores condiciones para llenar el molde. La sección transversal de un canal debe reducirse en área en cada compuerta que pasa, como se indica en la figura 8-5. Esto ayuda a mantener lleno al canal a través de su longitud completa y promueve el flujo uniforme a través de todas las compuertas. Como otra consideración, la tasa a la cual puede fluir el metal en el molde no debe exceder la capacidad del bebedero para mantener lleno de líquido todo el sistema de compuertas en cualquier momento. El sistema de compuertas debe formarse como parte del modelo siempre que sea posible. Esto permite que la arena se apisone con dureza y ayude a evitar la erosión y el lavado con forme el metal fluye dentro del molde. Varias compuertas en lugar de una ayudan a distribuir el metal en el molde y llenarlo con rapidez, reduciendo la posibilidad de puntos de sobrecalentamiento en el. Las compuertas deben colocarse en posiciones donde dirijan el metal dentro del molde, a lo largo de canales naturales. Si el metal se dirige contra la superficie del molde o coraz6n, se posibilita el quemado y la arena suelta puede ser arrastrada dentro del colado. La abertura de una compuerta dentro de un molde debe tener un área tan pequeña como sea posible, excepto en casos en que las compuertas están a través de rebosaderos laterales. Una compuerta de entrada puede reducirse en área o "estrangularse" donde entra en una cavidad del molde. Esto retiene la escoria y el material extraño pero no debe dejar un área en la entrada tan pequeña que provoque un efecto de regadera. Esto puede dar lugar a la turbulencia que da por resultado una oxidación excesiva del metal Tipos de compuertas. Los tres tipos principales de compuertas son (1) de partición, (2) superiores y (3) inferiores, como se ilustra en la figura 8-6 La compuerta de partición entre la semicaja .superior y la semicaja inferior es la mas fácil y rápida de hacer por el moldeador. Su principal desventaja es que el metal cae dentro de la cavidad de la semicaja inferior y puede causar erosión o arrastre al molde. En el caso de metales no ferrosos, esta caída agrava la formación de escoria y entrampa aire en el metal, lo que resulta en colados inferiores. Las compuertas superiores se usan a veces para colados de hierro gris; son de diseño simple pero no son adecuados para aleaciones no ferrosas ya que tienen tendencia a formar escoria excesiva cuando se agita el metal. Una ventaja de las compuertas superiores es que conducen a un gradiente favorable de temperatura, pero una gran desventaja es la erosión del molde. Una compuerta inferior ofrece un flujo suave con un mínimo de erosión del molde y corazón. Su principal desventaja es que crea un gradiente de temperatura desfavorable. El metal se introduce en el fondo de la cavidad del molde y se eleva lenta y uniformemente. Se enfría conforme se eleva y el resultado es una condición de metal y molde fríos cerca del bebedero y del metal y el molde calientes cerca de la compuerta de entrada. El rebosadero debe contener el metal mas caliente, en la parte mas caliente del molde de modo que pueda alimentar metal dentro del molde hasta que todo el colado ha solidificado. Las compuertas deben hacerse en los rebosaderos laterales siempre que sea posible. Las compuertas directas al colado resultan en puntos calientes, debido a que todo el metal entra al colado a través de la compuerta y la arena que rodea la compuerta se calienta. El enfriamiento en esa área se retarda. A menos que se proporcionen rebosaderos para alimentar esas localidades con metal fundido, resultaran cavidades de contracción o defectos. Muchos tipos de compuertas especiales además de los que se describieron se usan en los talleres de fundición. Rebosaderos. Además de que sirve como depósito de reserva, un rebosadero mitiga el efecto de ariete hidráulico del metal que entra al molde y 10 ventea. La reserva de metal debe ser la ultima en solidificarse, y para que sirva en forma eficiente debe ajustarse a los siguientes principios. El volumen de un rebosadero de be ser lo suficientemente grande para suministrar todo el metal necesario. El sistema de compuertas debe diseñarse para establecer un gradiente de temperatura hacia el rebosadero. El área de la conexión del rebosadero al colado debe ser suficientemente grande para que no se solidifique demasiado rápido. Por otra parte, la conexión no debe ser tan grande que el metal sólido dejado por el rebosadero sea difícil de eliminar del colado. La forma de un rebosadero es una consideración importante. La experiencia ha mostrado que la altura más efectiva de un rebosadero es una y media veces su diámetro para producir la alimentación máxima con una cantidad mínima de metal. Conforme la razón del área sobre el volumen de una masa fundida disminuye, menos oportunidad se ofrece al escape de calor, y disminuye la velocidad de solidificación. La forma esférica es la que dura fundida durante más tiempo, pero no es la ideal para un rebosadero; le sigue la forma cilíndrica que es mas practica. Enfriadores. Los enfriadores son formas de metal insertadas en los moldes para acelerar la solidificación del metal. En la figura 8-7 se ilustran ejemplos. Los dos tipos son enfriadores externos e internos. Un enfriador interno devuelve parte y debe hacerse del mismo metal que el colado. Un enfriador externo debe tener suficiente contacto para enfriar y ser lo suficientemente grande para no fundirse con colado. La forma, tamaño y uso de un enfriador debe proporcionarse con cuidado para evitar enfriamiento demasiado rápido. Lo cual puede provocar grietas y defectos en un colado. Respiraderos. Los respiraderos son agujeros pequeños hechos perforando la arena antes de llegar al modelo en el molde con un alambre o con una cima. La función de un respiradero es permitir el escape de los gases de la cavidad del molde para evitar que los gases queden atrapados en el metal o que levanten contra presión que se oponga al flujo de entrada del metal. Los respiraderos deben servir a todos los puntos altos del molde y estar abiertos en la parte superior. Muchos respiraderos pequeños son mejores que unos cuantos grandes. MANUFACTURA DE MOLDES Herramientas manuales para el moldeo. Algunas de las herramientas básicas que utiliza el moldeador se muestran en la figura 8-8. Se utilizan cernidores para esparcir la arena sobre la superficie del modelo cuando se principia un molde. El tamaño del cernidor esta dado por el número de mallas por pulgada, un cernidor No. 4 tiene cuatro mallas por pulgada, etc. Los colados con detalles finos en la superficie requieren arena fina y un cernidor fino. Manufactura de un molde. Se selecciona una caja de moldeo más grande que la cavidad del molde que va a contener para permitir los rebosaderos y el sistema de compuertas. Debe tener también suficiente masa del molde arriba y abajo de la cavidad para evitar que el metal se abra paso a través de la arena durante el colado. Muchos colados se han perdido o han requerido limpieza adicional y se han provocado muchas lesiones al personal por el uso de cajas de moldeo de tamaño limitado. Puede esculpirse en la arena una cavidad de moldeo, pero eso requiere una habilidad considerable y rara vez se hace para todas excepto para las formas mas simples. El procedimiento normal es hacer primero una imagen de la pieza que va a colarse y formar el molde alrededor. Esta Imagen se denomina modelo. Se verifica que el modelo este limpio antes de usarlo y que puedan separarse las piezas desmontables. Cuando se usa un modelo dividido la semicaja inferior de moldeo se invierte y se coloca en el tablero de apisonar. La mitad inferior del mode1o se coloca con la superficie de partici6n sobre la mesa de apisonado junto con las piezas usadas para el sistema de alimentación y el sistema de rebosadero (figura 8-9). Entonces se cierne la arena que va a estar en contacto con e1 metal para formar una capa con profundidad de cerca de una pulgada sobre el modelo y sobre la mesa de apisonado como se muestra en la figura 8-10. El cernido es absolutamente necesario para obtener una buena reproducción del modelo. La arena cernida se apisona entonces en todas las cavidades y esquinas y se apisona a mano alrededor del modelo. Después se pone arena de respaldo en la caja de modelo para cubrir la capa de arena en contacto con el modelo hasta una profundidad de 3 a 4 pulgadas y se empaca con un pisón. La arena de respaldo debe apisonarse con cuidado en cualquier cavidad profunda como se ilustra en la figura 811. El resto del molde se llena entonces y se apisona. Debe tenerse cuidado de no golpear ni llegar muy cerca del modelo. Debe apisonarse el molde de manera que obtenga dureza uniforme con objeto de que resulte una superficie del colado lisa y de fácil limpieza, para evitar penetraciones del metal en la arena, hinchazón del molde, fugas u otros defectos en el colado. El exceso de arena se elimina como se muestra en la figura 8-12. mediante una regla de enrase recta y el tablero del fondo se coloca en la semicaja inferior de moldeo. Se aplican grapas y abrazaderas para fijar la semicaja inferior entre el tablero de apisonado y el tablero del fondo. Se invierte entonces la semicaja de moldeo, se quitan las grapas y el tablero de apisonado. La superficie de moldeo se limpia y alisa con una cucharilla en preparación para la parte superior del modelo y la semicaja superior de moldeo. Se espolvorea material separador mediante una bolsa sobre la junta de moldeo o superficie de partición y en el modelo. El material separador evita que la arena en la semicaja superior de moldeo se pegue a la arena en la semicaja inferior de moldeo. El material separador para moldes grandes por lo común es arena de sílice fina y para moldes medianos y pequeños se utilizan polvos muy finos coma talco o harina silicea. La semicaja superior de moldeo se coloca arriba de la semicaja inferior, se asienta con firmeza y se alinea con la ayuda de pasadores. La parte superior del modelo las formas de rebosaderos y las partes para el sistema de compuertas se colocan en su posición apropiada. En la figura 8-13 se muestra un corazón que se está colocando en posici6n precisamente antes de colocar la semicaja superior. En este caso se empacará arena alrededor de los alambres mostrados que sujetaran el corazón a la semicaja superior. Se cierne la capa de arena que estará en contacto con el metal fundido sobre la parte superior del modelo y se empaca con firmeza como en la semicaja inferior. Ahora, si es necesario se colocan refuerzos en la arena (figura 8-1) en la semicaja inferior, pero no tan cerca, para que enfríen el colado. La semicaja superior se llena entonces con arena y se apisona como se hizo en la semicaja inferior. Se requiere apisonar la arena con un poco de mas firmeza en toda la caja de la semicaja superior va que la arena debe permanecer intacta conforme se separa la semicaja superior de la semicaja inferior. Después de que se ha terminado el apisonado se elimina el exceso de arena con la regla de enrase y se ventea con alambre para venteos como se indica en la figura 3- 14. La semicaja superior se quita de la inferior y se invierte para facilitar el retiro de la parte superior del modelo. Todas las partes del modelo principal, de compuerta, de bebederos y rebosaderos se quitan en este momento. El corte de las compuertas de entrada generalmente se hace antes de retirar el modelo. Cuando tanto la semicaja superior coma la inferior se han acabado de manera adecuada, los corazones sueltos deben colocarse en su lugar teniendo cuidado de no dañar el molde o el corazón. En la figura 8-15 se muestra la semicaja superior con el corazón agregado y la semicaja inferior lista para cerrar el molde. El molde se cierra con cuidado. Los pasadores guían la semicaja superior. Después de que se ha cerrado el molde, se engrapa coma se ilustra en la figura 8-16 y queda listo para el colado. Los alambres del corazón fijados se muestran enrollados en la barra apoyada arriba de la semicaja superior. En algunos moldes se colocan pesos en la parte superior para evitar que se separen debido a la presión hidráulica del metal líquido. El vertido del alojamiento de bomba se muestra en la figura 8-17 y el colado obtenido del alojamiento de bomba se ilustra en la figura 8-18. Las diversas clases de procedimientos de moldeo dependen de los tamaños del colado. El moldeo en banco se aplica principalmente a moldes lo suficientemente pequeños para hacerse en un banco de trabajo. El moldeo en piso implica moldes demasiado grandes para un banco y se hacen en cajas de moldeo en el piso del taller de fundición o en maquinas asentadas en el piso. Los moldes demasiado grandes para hacerse por completo en cajas se construyen en fosas abajo del piso del taller de fundici6n. Eso se denomina moldeo en fosa. Máquinas para moldeo. En un tiempo todo el moldeo se hacia a mano, pero en la actualidad los costos de mane de obra y la competencia hacen obligatorio el moldeo en maquina en la industria. Las maquinas de moldeo ofrecen velocidades mas altas de producción y mejor calidad en los colados, además de mano de obra ligera y costos mas bajos. Las maquinas de moldeo sirven en dos capacidades generales: (1) para empacar la arena con firmeza y uniformidad en el molde y (2) para manipular las cajas, moldes y modelos. El apisonado controlado con propiedad y aplicado con maquina es mas uniforme, confiable y produce mas y mejores moldes que el apisonado a mano. La manipulación se hace en varios grados en maquinas diferentes y puede incluir el volteo de partes o de todo el molde y alzar modelos y cajas. Existen maquinas de moldeo, en un numero de marcas, modelos y tamaños que realizan las funciones anteriores en diversas combinaciones y modos. En forma general, caen en una de tres clases que se ilustraran por una forma típica de cada clase. Hay maquinas de moldeo por sacudida y compresión, sacudida y volteo y lanzamiento de arena. Maquinas de moldeo por sacudida y compresión. Una maquina de este tipo se muestra en la figura 8-19, consta básicamente de una mesa accionada por dos pistones en cilindros de aire, uno dentro de otro. El molde en la mesa se sacude por la acción del pistón inferior que eleva la mesa en forma repetida y la deja caer bruscamente en un colchón de rebote. Las sacudidas empacan la arena en las partes inferiores de la caja de moldeo pero no en la parte superior. El cilindro mas grande empuja hacia arriba la mesa para comprimir la arena en el molde contra el cabezal de compresión en la parte superior. La opresión comprime las capas superiores de la arena en el molde pero algunas veces no penetra en forma efectiva todas las áreas de un modelo. En el caso que se muestra, la semicaja superior se oprime de modo que no dañe por sacudida la semicaja inferior terminada. Algunas maquinas dan sacudidas simples; otras solo comprimen. Para alta producción, puede habilitarse una maquina de sacudida y compresión para la semicaja inferior de un molde y otra para la semicaja superior. Puede agregarse un vibrador a una máquina para aflojar el modelo para sacarlo con facilidad sin dañar el molde. Máquinas de sacudida y vuelco con retiro del modelo. La maquina que se ilustra en la figura 8-20 esta diseñada para moldear la semicaja superior o la semicaja inferior. Una caja de moldeo se coloca sobre un modelo en una mesa, se llena con arena y se sacude. El exceso de arena se enrasa y se engrapa un tablero inferior a la caja de moldeo. La maquina eleva el molde y lo desliza a una mesa o transportador. La caja se libera de la maquina. El modelo se vibra, se saca del molde y se regresa a la posición de carga. Maquinas similares comprimen y también sacuden. Lanzadora de arena. La lanzadora de arena logra un empaque consistente y un efecto de apisonado lanzando arena con alta velocidad al modelo. En la figura 8-21 se explica esta acción. La arena de una tolva se alimenta mediante una banda a un impulsor de alta velocidad en el cabezal. Una disposición común es suspender la lanzadora con contrapesos y moverla para dirigir la corriente de arena con ventaja dentro de un molde. La dureza del molde puede controlarse por el operador cambiando la velocidad del impulsor y moviendo la cabeza impulsora. Las lanzadoras de arena pueden suministrar con rapidez grandes cantidades de arena y son de utilidad especial para apisonar moldes grandes. Su única función es empacar la arena en los moldes, y con frecuencia se operan junto con equipo de retiro de modelo. CORAZONES Y MANUFACTURA DE CORAZONES Un corazón es un cuerpo de material, por lo regular arena, usado para producir una cavidad dentro o superpuesto en un colado. Un ejemplo de un corazón dentro de un colado es el que forma la camisa de agua en el monobloque de un motor enfriado con agua, y un ejemplo de un corazón superpuesto en un colado es el que forma el espacio para el aire entre las aletas de enfriamiento de un cilindro de motor enfriado por aire. Es esencial cierto número de propiedades para obtener buenos corazones. Un corazón debe tener (1) permeabilidad (esto es, la habilidad para permitir que escapen el vapor y los gases), (2) ser refractario (es decir, la habilidad para soportar alta temperatura), (3) resistencia en verde de modo que pueda formarse. (4) resistencia en seco para que no se erosione y sea arrastrado o cambie de tamaño cuando esta rodeado por el metal fundido, (5) facilidad de colapso (esto es, la capacidad para disminuir en tamaño con forme se enfría el colado y se contrae), (6) friabilidad. O sea la capacidad para desmoronarse y eliminarse con facilidad del colado y (7) una tendencia mínima a generar gas. Manufactura del corazón. Las herramientas que se utilizan en la producción de corazones son en mucho las mismas que en la manufactura de un molde, además de la caja de corazón, secadores de corazón y materiales especiales y equipo para venteo. Los corazones reciben su forma en la caja de corazones. Los secadores son formas especiales de estantes usados para soportar corazones complicados durante el horneado previo. Ya que los secadores de corazón son bastante caros se usan solo cuando se requiere un gran número de corazones. Los corazones complicados con frecuencia se hacen en partes en placas planas y entonces se ensamblan con pasta. La manufactura de corazones es muy parecida a la del modelo excepto que la arena para corazones se coloca en una caja de corazones. Puede soplarse en la caja, apisonarse o empacarse a mano, o sacudirse en la caja. La arena en exceso se enrasa y se coloca una placa de secado sobre la caja. Se invierte entonces la caja de corazones, se vibra o se golpea con aldabón y se saca el corazón. El corazón se pone entonces en una estufa para corazones y se le da horneado previo. Los corazones pueden hacerse lo suficientemente fuertes para que soporten la manipulación que tienen que resistir. Cuando el corazón no tiene venteo natural, deben proporcionarse venteos suplementarios. En un corazón hecho uniendo las partes con pasta, pueden cortarse ranuras en las caras que van a unirse antes de que se ensamblen. Los venteos se continúan a través de los extremos de soporte del corazón (figura 8-26) de modo que el metal fundido no los alcance y los tape. Si este método no puede usarse, puede hacerse venteo con cera colocando cintas de cera de venteo en la arena antes de que se hornee. Si el corazón es grande y más bien complicado, el centro del corazón puede llenarse con coque, grava u otro material poroso que de buena permeabilidad, buena posibilidad de colapso y buena friabilidad. Las superficies de algunos corazones reciben un revestimiento refractario. En el taller de fundición moderno pueden encontrarse diferentes clases de corazones. Los corazones de arena seca u horneada tienen un pegamento que de e curarse con calor. Se hacen con menos frecuencia debido a los costos de la energía. Los corazones de arena verde se hacen moldeando arena en el momento en que se hace el molde y son relativamente baratos y de uso común. Cuando estos no pueden dar servicio adecuado, se usan corazones curados en frío. Contienen un pegamento de dos partes que cura por si mismo, o un pegamento de una parte que se cura pasando un gas a través del corazón. Hay muchos de estos pegamentos de corazón, sobre todo patentados y cada año se introducen nuevos. Corrimiento del corazón. Si un corazón no permanece en el lugar preciso dentro del molde, las paredes de la cavidad que produce no tendrán los espesores apropiados. El corrimiento de los corazones es una causa principal de colados defectuosos. Un corazón puede ser de tal forma que necesite soportes internos. Para este propósito pueden insertarse en las varillas de acero o de alambre pesado. Los soportes (figura 8-22) sirven para sostener corazones que tienden a pandearse o hundirse en los asientos inadecuados de extremos de corazón. Es usual hacer el soporte del mismo metal que el colado del cual formara parte. Un corazón esta sujeto a una fuerza de flotación apreciable cuando queda inmerso en el metal que se vierte en el molde. Un ancla, como la que se muestra en la figura 8-22, evita que suba el corazón. Los soportes también sirven para este propósito. Un corazón sumergido en metal pesado flota con una fuerza proporcional a la diferencia entre su masa y la masa del metal desplazado. Máquinas para la manufactura de corazones. Los corazones de formas y secciones regulares pueden extruirse en un maquina como la que se ilustra en la figura 8-23 y cortarse a longitud. Se deja un agujero central de venteo mediante un alambre que se extiende desde el centro del tornillo. Los corazones grandes se hacen como los moldes en maquinas de sacudida y volteo, lanzadoras de arena y otras. Los corazones de tamaño medio y pequeño con formas irregulares pueden hacerse a mano pero se producen en cantidades en una maquina sopladora de corazones. Esta maquina sopla la arena mediante aire comprimido a través de una placa de corazón con agujeros arreglados para empacar la arena en forma uniforme y firme en la caja de coraz6n. Cada caja de corazón debe diseñarse en forma apropiada para liberar el aire sin retener la arena en una forma uniformemente densa y compacta. Horneo previo de corazones. El secado solo no es suficiente para muchos corazones, pero otros (no de arena verde o curados en frío) se ligan con aceites y deben hornearse para conseguir la dureza y resistencia finales. El propósito del horneo previo es eliminar la humedad, oxidar el aceite y polimerizar el aglutinante. Para el horneado previo de un coraz6n aglutinado de arena con aceite se requiere temperatura uniforme y calentamiento controlado. Con aceite de linaza, un aceite de liga principal como ejemplo, la temperatura se eleva a una velocidad moderada, se mantiene casi en 200° C (400° F) por cerca de una hora y entonces se permite que baje lentamente alas condiciones ambientales. Si el mismo corazón se hornea con rapidez a 260° C (500° F) quedará quemado en la superficie y crudo en el centro. El tamaño de un corazón afecta el horneado. Si no se tiene cuidado la superficie exterior del corazón se cocerá primero y alcanzará la resistencia máxima. Entonces mientras se esta curando el interior, el exterior se quemara y perderá resistencia. Esto puede evitarse haciendo el centro de un coraz6n grande con un material poroso como coque o cenizas para permitir que el oxigeno llegue al centro del corazón de modo que tenga lugar la oxidaci6n y la polimerizaci6n. El modelo es una forma usada para preparar y producir una cavidad en el molde. Es una herramienta más en las manos del fundidor. Se ha mencionado que puede producirse un mal colado mediante un buen modelo, pero un buen colado no se hará con un mal modelo. El diseñador de un colado debe dar atención previa al modelo para asegurar una producción económica. El diseño debe ser lo más simple que sea posible para facilitar el retiro del modelo de la arena y evitar más corazones de los necesarios. Tipos de modelos. Muchos moldes se hacen con modelos sueltos. Este modelo tiene en esencia la forma del calado tal vez con formas para bebederos, rebosaderos. etc., agregados. En la figura 8-24 se muestran varios ejemplos. Este en el modelo de hechuras mas barato pero que lleva mas tiempo al usarse. Un modelo suelto puede hacerse con una o más piezas. Por ejemplo un modelo de dos piezas por lo común esta divido en las partes para la semicaja superior y la semicaja inferior para facilitar el modelo. Para una parte difícil de moldear algunas piezas sueltas pueden ser removibles con el fin de permitir que el modelo se colapse para retirarlo de la arena, lo que en otra forma no será posible. Un colado original un ensamble de las piezas de un colado roto pueden servir en una emergencia como un modelo suelto. Par supuesto, las partes necesitan aumentarse para considerar la contracción. Los modelos sujetos en forma permanente a un tablero placa de hermanado se conocen como modelos montados. La ventaja principal es que un modelo montado es mas fácil para usarse y almacenarse que un modelo suelto. Otra ventaja es que el sistema de compuertas puede montarse en una placa de hermanado, y así el tiempo requerido para cortar el sistema de compuertas en el molde puede eliminarse. Los modelos montados cuestan más que los modelos sueltos, pero se hacen muchos colados con un modelo, el tiempo ahorrado en la operación garantiza compensar el costo del modelo montado. Los modelos para cierto numero de piezas pueden montarse en una placa de hermanado coma se muestra en la figura 8-25. Una caja de corazón es en esencia un tipo de modelo en la cual se apisona empaca arena para formar un corazón coma se ilustra en la figura 8-26.Los moldes y corazones simétricos, en particular los de tamaños grandes algunas veces se conforman mediante tarrajas coma se muestra en la figura8-27. La tarraja es una tabla plana con un perfil de la sección transversal de la parte que va a hacerse y se gira sobre un eje central para quitar el exceso de arena dentro del molde. Material de/ modelo. La madera es el material más común para los modelos. Es sencillo trabajarla y puede encontrarse fácilmente. Con frecuencia se utilizan, la caoba, el nogal, pino blanco, y maple, seleccionados en forma apropiada y secados en estufa. La madera que se usa mas es el maple porque se trabaja con facilidad y por lo común esta libre de alabeo y grietas. La humedad en la madera debe ser de 5 % a 6% para evitar alabeo, contracción o expansión del modelo terminado. Los modelos de metal pueden estar sueltos o montados. Si el uso requiere un modelo de metal entonces el modelo probablemente deberá montarse en una placa e incluir el sistema de compuertas. Se utiliza el metal cuando se desea un gran número de colados obtenidos de un modelo o cuando las condiciones son demasiado severas para los modelos de madera. Los modelos de metal resisten bien el desgaste. Otra ventaja de un modelo metálico es que esta libre de alabeo en el almacenamiento. Por lo común un modelo de metal puede volverse a fundir y colar mediante un modelo maestro y puede reemplazarse con facilidad si se desgasta o daña. Los modelos se elaboran de yeso y plástico. Los modelos de yeso son fáciles de hacer; pueden hacerse por colado cuando están disponibles moldes originales. Sin embargo, el yeso es quebradizo y no es adecuado para moldear grandes números de colados en arena. Los plásticos sirven de varias formas en la manufactura de modelos. Algunos modelos comunes se hacen de plásticos resistentes a la abrasión con un costo y una durabilidad entre la madera y el metal. Otro uso de ciertos plásticos es hacer con rapidez modelos de emergencia o para rescatar modelos gastados o rotos. Por ejemplo, una parte rota de maquina o un modelo gastado pueden cubrirse con capas de fibras y resina plástica para compensar la contracción. Estas pueden servir como un modelo en la arena para unas pocas piezas para hacer un molde de yeso en el cual se cuela resina plástica para una vida mas larga. El proceso evaporativo de colado {ECP), que también se conoce como molde completo (FM), espuma perdida o colado con modelo perdido, utiliza un modelo de espuma de poliestireno ahogado en la arena y vaporizado conforme el metal fundido llena el molde. Cada modelo se consume para un colado, y en un principio el proceso estuvo confinado a producir uno o unos cuantos colados de una clase. Los modelos se labraban de material de poliestireno en tablas. Desarrollos posteriores llevaron a la producción de monobloques con cilindros para automóviles, cigüeñales, bombas de agua y similares, en grandes cantidades. En forma típica para tal trabajo, se mezclan esferillas de poliestireno con pentano, se calientan y expanden en un dado o en una prensa de moldeo. Pueden unirse secciones para hacer un modelo completo, y se añaden bebederos, corredores y rebosaderos. La superficie de un modelo se pinta con un lodo cerámico para evitar quemar la arena. No hay líneas de partición que dejen bordillos en los colados y no se necesita tener inclinaciones ni conicidades para el retiro, lo que puede ahorrar varios cientos de kilogramos (libras) en un colado grande. No tienen que colocarse filetes en el molde a menos que se requieran para la resistencia de la parte. Pueden eliminarse corazones y pegamentos en la arena. Una indicación de los costos relativos y beneficios de diversos modelos puede darse para la pieza que se muestra a la mitad de la derecha en la figura 8-24. El modelo pudo haberse hecho de plástico espumoso para un solo colado por cerca de $5 de material y $50 para la mano de obra, sin necesitar un corazón. Este modelo de madera costaría cerca de $250 y serviría para 300 piezas. En metal sobre placa hermanada, el modelo costaría $425 y serviría para 5000 o mas piezas. Dos de estos modelos en una placa hermanada con una caja de corazón de aluminio costarían $600 pero casi se duplicaría la tasa de producción. Distribución del modelo. La línea de partición representa la superficie que divide el modelo en las partes que forman las cavidades en la semicaja superior y la semicaja inferior de moldeo. Si es posible la línea de partición debe ser recta, lo cual significa que un solo plano divide el modelo en las secciones de las semicajas de moldeo superior e inferior. Se requiere una línea de partición recta para un modelo de piezas sueltas, con el fin de permitir que las secciones descansen planas en el tablero moldeo. En la figura 8-28 se muestra un ejemplo. No es necesaria una línea de partición recta para un tablero de moldeo pero con frecuencia facilita la fabricación del modelo. Son necesarios algunos medios para soportar y posicionar los corazones en los moldes. Estos tienen la forma de extensiones, salientes y protuberancias en tos corazones y se llaman impresiones de corazones (figura 8-26). Una impresión de corazón debe ser lo suficientemente grande para soportar el corazón. El peso del corazón se soporta por la semicaja inferior de moldeo, y la flotación se resiste por la semicaja superior de moldeo. Tolerancia de contracción del modelo, Conforme el metal se solidifica y enfría, se contrae y se reduce en tamaño. Para compensar esto, un modelo se hace más grande que el colado terminado en una cantidad llamada tolerancia de contracción. Aunque la contracción es volumétrica, es común expresar en forma lineal la corrección de la contracción. Las dimensiones no se muestran con sobretamaño en el dibujo de una parte o modelo para incluir la tolerancia por contracción. Pero el modelista mide las dimensiones de acabado con reglas de contracción. Dichas reglas Tienen una escala que es mas grande que la estándar por una proporción definida según 5, 10 o 15 mm/m (1/16, 1/8 o 3/16 in/ft) La contracción es diferente para distintos metales, formas diferentes de colados del mismo metal y distintos métodos de moldeo y colado. Como ejemplo, los colados medio y ligero de acero de diseño simple sin corazones requieren un margen de 20 mm/m (1/4 in/ft), y se usa una regla con esa escala para hacer sus modelos. En comparación, un margen de 15 mm/m (3/16 in/ ft) es adecuada para tubos y válvulas del mismo metal ya que sus moldes y corazones ofrecen resistencia considerable a la contracción. Los márgenes típicos de contracción se muestran en la tabla 8-2. Un modelo maestro mediante el cual se cuelan modelos de metal puede tener una tolerancia doble de contracción. Otras tolerancias. La tolerancia de maquinado es la cantidad por la cual se hacen en sobretamaño las dimensiones de un colado para proporcionar material para maquinado. Las dimensiones en el dibujo de un modelo incluyen la tolerancia de maquinado. La cantidad de metal que se deja para el maquinado debe ser no mas del necesario, pero suficiente para asegurar que los cortadores puedan introducir un corte amplio y remover por completo la escama dura y la cáscara en la superficie del colado. La cantidad suficiente depende de la clase de metal, la forma del colado y los métodos de colado, limpieza y maquinado. En la tabla 8-3 se muestran las tolerancias típicas de maquinado. Puede agregarse una tolerancia de distorsión a las dimensiones de ciertos objetos como grandes placas planas y colados en forma U que se supone se pandean al enfriarse. El propósito de este margen es desplazar el modelo en tal forma que los colados tengan la forma y el tamaño adecuados después de la distorsión en proceso. Salidas. La salida es la conicidad o inclinación que se deja en los lados de un modelo, hacia afuera desde la línea de partición como se muestra en la figura 8-29. Esto permite que el modelo pueda extraerse (retirarse) del molde sin dañar las superficies de arena. El retiro puede expresarse en mm/m en in/ft por una parte, o en grados, y la cantidad necesaria en cada caso puede depender de la forma del colado, el tipo de modelo y el proceso. Por ejemplo, puede requerirse un retiro de 10 mm/m (1/8 in/ft) para cierto modelo en madera. Para el mismo colado, un modelo de metal montado en una maquina moldeadora puede necesitar solo 5 mm/m (1/16 in/ft). Filetes. Un filete es un relleno redondeado a lo largo de la convergencia de dos superficies de un modelo, como se indica en la figura 8-30. La esquina redondeada que se produce así en el colado también se denomina filete. Los filetes pueden tallarse en los modelos de madera; por lo general se hacen con menos costo de cera, plástico, moldura de madera o cuero. Pueden variar en tamaño desde 3 a 25 mm (1/8 a 1 in) de radio dependiendo del tamaño, forma y material del colado. Los filetes eliminan ángulos bruscos y esquinas, por tanto, refuerzan los modelos y los colados de metal. Se proporcionan para facilitar la salida del modelo de la arena, se obtiene ) un molde mas limpio, flujo mas libre del metal a través del molde, menos arrastre de la arena en el molde y menos deformaciones de contracci6n y desgarres calientes entre las secciones conforme se enfría el colado. Protuberancias de localización. Por lo común se agregan protuberancias o tacones a los colados con el prop6sito de proporcionar puntos definidos y controlados para la localizaci6n en las operaciones de maquinado. Estas protuberancias de localización o fundición están calibradas y pueden limpiarse con lima para que queden relacionadas con el perfil principal de la pieza de trabajo. Debe tenerse cuidado de que estos tacones no produzcan secciones demasiado pesadas y puntos calientes en un colado. ARENA Y OTROS INGREDIENTES DE MOLDEO La función primaria de cualquier material de moldeo es mantener la forma de la cavidad del molde hasta que solidifique el metal fundido. La arena silicea es el material de moldeo de uso mas amplio; en particular para metales que funden a temperaturas altas. Sirve bastante bien ya que es de fácil disponibilidad, baja en costo ($8 a $30 por tonelada), puede formarse con facilidad en formas complicadas y es capaz de soportar el metal fundido. Las tres partes principales de un molde de arena son (1) los granos de arena, los cuales tienen las propiedades refractarias necesarias para soportar el intenso calor del metal fundido; (2) un material de liga, el cual puede ser arcilla natural agregada, cereal, etc., para mantener juntos los granos; y (3) agua para aglutinar los granos y ligarlos en un material plástico de moldeo. : Arena de moldeo. Las arenas naturales contienen solo el aglutinante minado con ellas y se usan conforme se reciben con la adición de agua. Tienen la ventaja de mantener el contenido de humedad por largo tiempo, tienen márgenes de humedad amplios para trabajarse y permitir el retocado y acabado fácil de los moldes. Algunas veces es deseable cambiar las propiedades de una arena natural agregando bentonita (un aglutinante de arcilla). Esta arena se conoce como arena semisintetica. Las arenas sintéticas se formulan con diversos ingredientes. La base puede ser una arena natural con cierto contenido de arcilla o una arena lavada con toda la arcilla eliminada. Se agrega un aglutinante, como bentonita y agua. Estas arenas tienen las ventajas sobre las arenas naturales de (1) tamaño de grano mas uniforme, (2) propiedades refractarias mas altas, (3) facilidad de moldeo con menos humedad, (4) requieren menos aglutinante. (5) control mas sencillo de las propiedades y (6) la necesidad de menos espacio de almacenamiento ya que una clase de arena puede ser suficiente para diferentes clases de colados. La arena para moldes tiene alto contenido de arcilla, hasta 50%, y se endurece al secar. El moldeo con arena para moldear por lo común se hace para un colado grande haciendo el molde con ladrillos cementados y revestidos con arena para moldear y dejándola secar. Permeabilidad en verde. La permeabilidad es la porosidad de las aberturas entre granos. Esta da paso al aire, gases y vapor para que escapen cuando se pierde el metal fundido en el molde. La permeabilidad se mide en una prueba común pasando una cantidad definida de aire a través de una muestra estándar de prueba en condiciones especificadas. El resultado se expresa por un numero P = 501.2/ pt, donde p es la presión en gramos por centímetro cuadrado y t es el tiempo en minutos. Por tanto, el número de permeabilidad es más grande conforme la arena es más porosa. La finura de grano se mide pasando arena a través de cribas estándar, cada una con cierto numero de aberturas por pulgada lineal. Las arenas comerciales están hechas de granos de diferentes tamaños. El tamaño de grano de una arena se determina por un número que indica el tamaño promedio, lo mismo que las proporciones de los granos más pequeños o más grandes en la mezcla. Los granos más finos en un molde imparten un acabado mas liso a un colado. Por otra parte, la permeabilidad disminuye conforme los granos y, por tanto, los huecos entre granos se vuelven más pequeños. La misma condición resulta para una proporción grande de granos finos en una mezc1a. Debe alcanzarse el mejor arreglo. Para fundiciones grandes que requieren arena gruesa para alta permeabilidad, la superficie de la cavidad del molde puede tener una capa delgada de material de grana fino en las caras. Hay dos formas distintas de granos de arena: angular y redondeada, con muchos granos de redondez y angularidad entre los dos extremos. Los granos claramente angulares no pueden empacarse juntos en forma tan estrecha y en consecuencia dan una permeabilidad mas alta que los granos redondeados. Tanto el tipo como la cantidad del aglutinante tienen un efecto decisivo en la permeabilidad de la arena. . Sobre amplios márgenes de contenido de humedad, se encuentra que la bentonita da mas permeabilidad que la arcilla para horneo. La permeabilidad puede disminuir con un aumento en el contenido de arcilla. La curva superior de contenido de 4% de humedad indica una permeabilidad aceptablemente constante dentro de márgenes amplios de contenido de bentonita. En general, el contenido de arcilla es optimo cuando esta presente en la extensión de revestir las partículas de arena por completo sin llenar los espacios entre los granos. Con un bajo contenido de humedad, las partículas finas de arcilla tapan los espacios entre los granos y la permeabilidad es baja. Mas humedad suaviza y aglutina la arcilla rodeando los granos para condiciones optimas. Un exceso de humedad llena los vacíos y disminuye la permeabilidad. El contenido óptimo de humedad no es el mismo para todas las arenas de moldeo, aunque generalmente cae entre 2 y 8 %. Resistencia en verde. La resistencia en verde es la resistencia de una arena lista para el moldeo y, si el metal se vierte de inmediato, representa la capacidad de la arena para sostener la forma del molde. La resistencia en verde puede expresarse en kilo pascales o en libras por pulgada cuadrada requeridos para romper un espécimen estándar. Mientras más finos sean los granos de arena, mayor será el área de la superficie de una masa dada y mayor será la cantidad de aglutinante necesario para cubrir el área. Los contactos y ligas entre los granos son más numerosos y, por tanto, la resistencia en verde es más alta con granos más finos. Los granos redondos se empacan juntos en forma mas estrecha que los granos angulares y como resultado se ligan juntos con una resistencia en verde más alta que los granos angulares. Algunos aglutinantes proporcionan resistencia en verde más alta que otros. La resistencia en verde aumenta en proporci6n a la cantidad de aglutinante en un moldeo en arena pero, como se puntualizó antes, demasiado aglutinante daría la permeabilidad y debe aceptarse un compromiso. El efecto de la humedad en la resistencia en verde es similar al efecto en la permeabilidad. La resistencia en verde aumenta con las primeras adiciones de humedad, alcanza una resistencia máxima y, entonces, empieza a disminuir También muestra que un exceso de humedad tiene un efecto debilitante y aun nulifica la influencia del tamaño de grano. Además de otros factores, la practica de mezclado afecta la resistencia en verde. Resistencia en seco. La resistencia en seco es la resistencia de la arena que se ha secado o sometido a horneado previo. En general, la resistencia en seco varia en la misma forma que la resistencia en verde con la finura de grano, forma de grano y contenido de humedad. Sin embargo, los aglutinantes diferentes pueden afectar en forma distinta la resistencia en seco y la resistencia en verde. Por ejemplo, en contraste con la bentonita occidental, la bentonita del sur produce una resistencia en verde alta y una resistencia en seco baja, y esta lleva a la fácil limpieza por sacudida de los colados.