Principales métodos de fundición en metales

Capítulo 1.

Principales
métodos de fundición en
metales[1]

El curso de procesos de manufactura II, tiene
múltiples temas en su desarrollo silábico, siendo
el tema de los procesos de fundición de metales el que
más abarca en todo el silabo en su aplicación y son
los que se aplican en la industrial actual con mayor
énfasis, capaces de reproducir geometrías muy
complejas, permitiendo también generar cavidades o
superficies internas en las piezas de cierta complejidad. Por
otra parte, tienen una gran versatilidad, permitiendo fabricar a
bajo costo piezas de una gran diversidad de tamaños y
formas, que no puede conseguirse con otros procesos de
fabricación, y así procesar determinados materiales
de difícil tratamiento mediante procesos de otros tipos
elementales.

Son diversas las tecnologías que hasta la fecha
se han desarrollado en el ´ámbito de los procesos de
fundición en los metales. Aunque obviamente las distintas
tecnologías tienen sus propias características,
aplicaciones, ventajas y limitaciones, para garantizar un
adecuado nivel de calidad en el producto que existen aspectos
comunes a todas ellas cuyo conocimiento es indispensable para
controlar un proceso de fundición.

Para desarrollar la operación de fundición
del metal se calienta hasta una temperatura ligeramente mayor a
su punto de fusión y posteriormente se vierte en la
cavidad del molde para que se solidifique. En esta sección
consideramos varios aspectos de estos pasos en la
fundición.

Fundición en el alto horno del
metal de arrabio.

Las fundiciones se obtienen en el Horno Alto por
reducción mediante carbono. A continuación figura
una de las reacciones en cadena de reducción del mineral
de hierro:

El proceso simplificado es el
siguiente:

• 1. Por el tragante se introduce la materia
  prima: mineral (piritasa, oligisto, hematites, magnetita, la
  siderosa o limonita), coque y fundente.

• 2. El mineral estará troceado para
  facilitar el contacto con los gases.

• 3. Se usa coque como combustible por su alta
  resistencia mecánica a alta temperatura.

• 4. Se añaden fundentes (calizas,
  dolomía y sílice) para facilitar la
  separación de la ganga del metal. Ganga y cenizas del
  combustible forman la escoria. Los fundentes también
  reaccionan con impurezas impidiendo su mezcla con el metal
  fundido.

• 5. El arrabio (metal fundido carburado) la
  colada del arrabio se cuela por la piquera mientras la de la
  escoria, que sobrenada, sale por las bigoteras.

• 6. El arrabio se conduce en estado
  líquido a la acería para su afino o a la
  máquina de colar.

• 7. En la máquina de colar se producen
  los lingotes de hierro para fabricar piezas de
  fundición.

• 8. La escoria, compuesta de por
  combinación de la sílice y de la alúmina
  procedentes de la ganga del mineral de hierro y de las
  cenizas de coque y la cal del fundente, se carga en cucharas
  para transportar al lugar de enfriamiento.

• 9. La escoria normal se obtiene por
  enfriamiento en pozos con adición de agua para que se
  fracturen produce las escorias utilizadas en
  hormigones.

• 10. La escoria granulada se obtiene por
  enfriamiento en baño de agua produce su
  desmenuzamiento dejándolas en condiciones de ser
  usadas para fabricar cemento.

• 11. La escoria dilatada se obtiene
  añadiendo menos agua inferior a la empleada para la
  granulada. El resultado es un Clinker celular. Se usa en
  hormigones ligeros con propiedades de aislante térmico
  y acústico.

Fig. Alto Horno

El Acero

El procedimiento más utilizado para la
obtención del acero es la descarburación de la
fundición, que es el material que se obtiene directamente
por la reducción del mineral por el carbono. De modo que
primero se carbura el mineral para después
descarburarlo.

Para obtener directamente acero es necesario partir de
la fase alotrópica ? pues en esta fase no se puede
disolver más del 2 % de carbono siendo acero el producto
final. Este acero se llama prerreducido y no es el acero que se
usa habitualmente.

La materia prima para obtener acero son el arrabio o la
chatarra. El acero obtenido por afino del arrabio se hace en
convertidores. Cuando se utiliza la chatarra se producen en el
horno eléctrico.

La eliminación del carbono en exceso se logra por
oxidación generando CO y, posteriormente CO2 que escapa.
Igualmente hay que eliminar los óxidos de hierro que
puedan formarse, así como el fósforo y el azufre.
La formación del CO es consecuencia de una
formación previa de FeO:

FeO +C = Fe +CO

El proceso en el horno eléctrico es
el siguiente (es el utilizado en las acerías
modernas):

• 1. Se coloca la carga de chatarra
  y fundente que contienen cal y espato-flúor. (entre 60
  y 70 toneladas). Se añade antracita en el caso de que
  se necesite recarburar.

• 2. En caso de que se quiera
  añadir níquel o molibdeno se añaden en
  esta fase.

• 3. La fusión de esta carga
  se realiza por medio de los electrodos. Este periodo de
  fusión dura una hora.

• 4. Se insufla oxígeno
  creando la atmósfera oxidante que permite la
  eliminación del fósforo. En esta fase se forma
  CO que agita el baño facilitando la reacción.
  Esta fase dura unos 40 minutos.

• 5. Se toman muestras para ajustar
  la dosificación y se elimina la escoria
  añadiendo coque o grafito si hay que
  carburar.

• 6. Se inicia el periodo reductor
  con la adición de una nueva escoria para eliminar el
  azufre. Este periodo dura media hora.

• 7. Se produce la
  eliminación del oxígeno de la escoria mediante
  polvo de coque y ferrosilicio. Se toma otra muestra para el
  ajuste final de los componentes. Si la temperatura es
  correcta se trasvasa el material del horno a las
  cucharas.

Los tratamientos térmicos permiten
aportarle a los productos siderúrgicos propiedades
determinadas mediante calentamiento y enfriamiento en
determinadas condiciones.

Son los siguientes:

• Curvas de la S. Controla el tratamiento
  térmico de los aceros

• Normalizado. Consigue una estructura
  homogénea y elimina tensiones.

• Temple. Aumenta la dureza, el
  límite elástico y la resistencia a
  tracción. Disminuye la tenacidad y el
  alargamiento.

• Revenido. Mejora las
  características de los aceros templados.

• Recocido. Ablanda el acero y elimina
  tensiones internas

• Tratamientos isotérmicos.
  Elimina tensiones producidas por enfriamiento
  desiguales.

• Temple superficial. Consigue endurecer
  la superficie del producto.

• Cementación. Consigue compaginar
  una mínima de tenacidad y una gran dureza.

• Nitruración. Consigue una dureza
  extraordinaria de la superficie.

Calentamiento del metal

Se usan varias clases de hornos, para calentar el metal
a la temperatura acuerdo al material por fusión
administrada al material ferroso o no ferroso. La energía
calorífica requerida es suma de elementos
básicos:

a) Del calor para elevar la temperatura hasta el punto
de fusión,

b) Del calor de fusión para convertir el metal
sólido a líquido y

c) Del calor para elevar al metal fundido a la
temperatura de vaciado al molde.

Esto se puede expresar bajo el análisis
exhaustivo de cada uno de metales, donde su aplicabilidad se
fundamente en:

a). Transferencia de calor
(energía calorífica)

La ecuación tiene un valor conceptual y su
cálculo es de utilidad limitada, no obstante se usa como
ejemplo. El cálculo de la ecuación es complicado
por los siguientes factores:

• 1) El calor específico y otras
  propiedades térmicas del metal sólido
  varían con la temperatura, especialmente si el metal
  sufre un cambio de fase durante el calentamiento;

• 2) El calor específico de un metal puede
  ser diferente en el estado sólido y en estado
  líquido;

• 3) La mayoría de los metales de
  fundición son aleaciones que funden en un intervalo de
  temperaturas entre sólidos y líquidos en lugar
  de un punto único de fusión, por lo tanto, el
  calor de fusión no puede aplicarse tan
  fácilmente como se indica arriba;

• 4) En la mayoría de los casos no se
  dispone de los valores requeridos en la ecuación para
  una aleación particular

• 5) Durante el calentamiento hay pérdidas
  de calor significativas.

b). Vaciado del metal
fundido

Después del calentamiento, el material
está listo para vaciarse. La introducción del metal
fundido en el molde y su flujo dentro del sistema de vaciado y de
la cavidad es un paso crítico en el proceso. Para que este
paso tenga éxito, el metal debe fluir antes de
solidificarse a través de todas las regiones del molde,
incluida la región más importante que es la cavidad
principal. Los factores que afectan la operación de
vaciado son la temperatura de vaciado, la velocidad de vaciado y
la turbulencia.

c). La temperatura de vaciado

Es la temperatura del metal fundido al momento de su
introducción en el molde. Lo importante aquí es la
diferencia entre la temperatura de vaciado y la temperatura a la
que empieza la solidificación (el punto de fusión
para un metal puro, o la temperatura liquidus para una
aleación). A esta diferencia de temperaturas se le llama
algunas veces sobrecalentamiento.

d). La velocidad de vertido o vaciado

Es el caudal con que se vierte el metal fundido que
ingresa al molde. Si la velocidad es muy lenta, el metal puede
enfriarse antes de llenar la cavidad. Si la velocidad de vaciado
es excesiva provoca turbulencia y puede convertirse en un
problema serio.

e). La turbulencia de flujo

Se caracteriza por las variaciones erráticas de
la velocidad del fluido; cuando éste se agita, genera
corrientes irregulares en lugar de fluir en forma laminar. El
flujo turbulento debe evitarse durante el vaciado por varias
razones. Tiende a acelerar la formación de óxidos
metálicos que pueden quedar atrapados durante la
solidificación, degradando así la calidad de la
fundición. La turbulencia provoca una erosión
excesiva del molde, que es el desgaste gradual de las superficies
del molde debido al impacto del flujo de metal fundido. La
erosión es especialmente seria cuando ocurre en la cavidad
principal porque afecta la forma de la parte fundida.

f). Análisis ingenieril del
vaciado del metal

Varias relaciones gobiernan el flujo del metal
líquido a través del sistema de vaciado y dentro
del molde. Una relación importante es el teorema de
Bernoulli, el cual establece que la suma de las
energías (altura, presión dinámica,
energía cinética y fricción) en dos puntos
cualquiera de un líquido que fluye es igual. Esto se puede
escribir en la siguiente forma:

Los subíndices 1 y 2 indican los dos
puntos cualesquiera en el flujo del líquido.

La ecuación de Bernoulli se puede simplificar de
varias maneras. Si ignoramos las pérdidas por
fricción (la fricción afectará el flujo del
líquido a través del molde de arena) y asumimos que
el sistema permanece a presión atmosférica en toda
su extensión, entonces la ecuación puede reducirse
a:

Otra relación de importancia durante el vaciado
es la ley de continuidad, la cual establece que la velocidad
volumétrica del flujo permanece constante a través
del líquido. La velocidad del flujo volumétrico
(m3/s), es igual a la velocidad multiplicada por el área
de la sección transversal del flujo líquido. La ley
de continuidad puede expresarse como:

Los subíndices se refieren a cualquiera de los
dos puntos en el sistema de flujo. Entonces, un incremento en el
área produce un decremento en la velocidad y
viceversa.

Las ecuaciones indican que el bebedero debe ser ahusado.
El área de la sección transversal del canal debe
reducirse conforme el metal se acelera durante su descenso en el
bebedero de colada; de otra manera, puede aspirar aire dentro del
líquido debido al incremento de la velocidad del metal que
fluye hacia la base del bebedero y conducirlo a la cavidad del
molde. Para prevenir esta condición, se diseña el
bebedero con un ahusamiento de manera que la velocidad
volumétrica de flujo VA sea misma en la parte
superior y en el fondo del bebedero.

El tiempo de llenado del molde calculado por la
ecuación debe considerarse como tiempo mínimo,
debido a que el análisis ignora las pérdidas por
fricción y la posible constricción del flujo en el
sistema de vaciado; por tanto, el tiempo de llenado del molde
será mayor que el resultante de la
ecuación.

Las características del metal fundido se
describen frecuentemente con el término fluidez, una
medida de la capacidad del metal para llenar el molde antes de
enfriar. Existen métodos normales de ensayo para valorar
la fluidez, como el molde espiral de prueba que se muestra en la
figura 1, donde la fluidez se mide por la longitud del metal
solidificado en el canal espiral. A mayor longitud, mayor fluidez
del metal fundido.

Fig. 1. Esquema del proceso de
fundición en molde de arena.

Los factores que afectan la fluidez son la temperatura
de vaciado, la composición del metal, la viscosidad del
metal líquido y el calor transferido de los alrededores.
Una temperatura mayor, con respecto al punto de
solidificación del metal, incrementa el tiempo que el
metal permanece en estado líquido permitiéndole
avanzar más, antes de solidificarse. Esto tiende a agravar
ciertos problemas como la formación de óxido, la
porosidad gaseosa y la penetración del metal
líquido en los espacios intersticiales entre los gramos de
arena que componen el molde. Este último problema causa
que la superficie de la fundición incorpore
partículas de arena que la hacen más rugosa y
abrasiva de lo normal.

Fig. 2. Molde espiral para ensayo de
la fluidez, ésta se mide por la longitud del canal espiral
lleno antes de la solidificación.

• Fundición de materiales en
  arena[2]

Es el procedimiento más difundido y universal, y
es el único que prácticamente sirve para la
fabricación de piezas extremadamente grandes. El moldeo se
realiza con modelos de madera o de metal en cajas de noyos,
llenándolos de mezclas de arena y arcilla.

Las cavidades interiores de la pieza fundida se forman
mediante los "machos o noyos", que se hacen en las cajas de
machos con mezclas de arena y con adhesivos
especiales.

• a) Fundición en
  coquilla.

El metal se vierte en moldes permanentes de acero o de
fierro fundido (coquillas). Al fundir las piezas de
pequeñas dimensiones y aleaciones no ferrosas en las
cavidades

Interiores se forman con machos o noyos
metálicos, al fundir piezas medianas y grandes, los machos
se hacen de arena (fundición en semicoquilla).

• b) Fundición
  centrifugada.

Se emplea para fundir piezas huecas cilíndricas
en forma de tubos. El metal se vierte en tambores giratorios de
fierro fundido o de acero, donde se compacta por la acción
de las fuerzas centrifugas. La velocidad de rotación del
molde depende del peso específico del metal a fundir y de
las dimensiones de la pieza (diámetro).

• c) Fundición a la cera
  pérdida.

Los modelos se fabrican de materiales fusibles (cera,
parafina), mediante la colada a presión en moldes
metálicos. Los moldes se unen en bloques, se cubren con
una capa delgada de composición refractaria (polvo de
cuarzo con vidrio soluble) y se conforma en moldes de arena
inseparables que se calcina a 850 a 900°C, como resultado de
lo cual los moldes de arena inseparables que se eliminan. En las
cavidades que se forman se vierte metal a presión normal o
bajo una presión de 2 a 3 atmosferas (2 a 3
Kgf/cm²).

• d) Fundición
  gasificada

El metal se vierte en moldes de acero permanentes a una
presión de 30 a 50 atmosferas, este procedimiento
garantiza una elevada productividad, exactitud dimensional y
pureza de la superficie, y como regla general el tratamiento
mecánico posterior no es necesario. Se utilizan para
piezas pequeñas y medianas, a base de aluminio, a base de
cobre, zinc, etc.

1.2. Fundición en arena

1.2.1. Fundamentos para hacer piezas fundidas en
arena:

• 1. Diseño de la pieza
  fundida.

El proyectista al diseñar una maquina debe darle
un cuerpo resistente y duradero, debe realizar los diseños
del conjunto y los detalles de cada pieza debidamente acotados,
por tanto, el proyectista debe conocer la tecnología de la
fundición, con el objetivo de diseñar una pieza de
bajo costo, buen acabado superficial, fácil
fundición, etc. Para esto debe existir una estrecha
colaboración entre el proyectista, el modelista y el
fundidor.

• 2. Preparación de las arenas de
  fundición.

Consiste en preparar la arena de fundición,
añadiéndole materiales adecuados para que adquiera
las propiedades convenientes como son: permeabilidad,
cohesión, dureza, refractariedad, etc. Las arenas de
fundición están constituidas por tres componentes
básicos:

Sílice : de 80% a 90%

Arcilla : de 10% a 15%

Agua : de 5 a 7%

• 3. Construcción del
  modelo.

Consiste en fabricar el modelo, que puede ser de madera
o de metal, generalmente los modelos de madera se hacen en dos
partes con la finalidad de facilitar su extracción de las
cajas de moldeo. Al hacer el modelo se debe tener en cuenta el
sistema de molde a utilizar, el grado de contracción del
metal a fundir, los espesores de mecanizados, y si la pieza debe
llevar algún agujero interior, el modelista también
construirá su respectiva "caja de machos".

• 4. El moldeo.

Lo realiza el moldeador en las cajas de moldeo, y
consiste en reparar el molde (forma vacía), o
reproducción en negativo de la forma de la pieza. En los
moldes transitorios de arena, consiste en comprimir arena de
fundición alrededor del molde colocado en el interior de
una caja, extraer el modelo, asentar en su sitio los machos,
colocar los conductores del sistema de alimentación,
retocar el molde, cerrar las cajas. Los moldes transitorios solo
sirven para fabricar una pieza.

• 5. Preparación del metal
  fundido.

El metal se calentara hasta la temperatura de
fusión, es decir se llevara del estado sólido al
estado líquido, esta operación se realizara en los
hornos de fundición, que pueden ser: de combustible,
convertidores u hornos eléctricos, cada tipo de horno
tiene sus ventajas, desventajas y sus aplicaciones
particulares.

• 6. La colada.-

Consiste en introducir el metal fundido a través
de una o más aberturas de colada (bebederos), dispuestos
convenientemente en el molde, Esta operación se realiza
cuando el molde está cerrado herméticamente y con
solides para resistir la presión metalostática del
metal.

Fig. 3. Etapas del moldeo principal en
arena.

Fig. 4. Procesos básico del
moldeo del macho en arena.

Fig. 5. Proceso de fundición
del metal

• 7. Solidificación y
  enfriamiento.

Posteriormente de la colada se debe esperar a que la
pieza se solidifique y se enfrié en el molde, mientras que
las piezas grandes requieren periodos de horas (según sus
dimensiones), para su total solidificación.

• 8. El desmoldeo.

Cuando la pieza se ha solidificado y enfriado se procede
al desmoldeo, se levantan las cajas, se rompe el molde de arena,
se extrae la pieza fundida conjuntamente con el sistema de
alimentación solidificada.

• 9. Acabado y limpieza.

Son todas las operaciones necesarias para quitar la
mazarotas, sistemas de alimentación, pulir la pieza,
desbarbarla limpiar con un chorro de arena (arenado), con el
objetivo de dejarla lista para los procesos sucesivos.

10. Tratamiento térmico y
recubrimientos.

Algunas veces las piezas fundida deben de tener
características superficiales especiales tales como mayor
dureza o mejor presentación, en esto casos las piezas
deben ser sometido a tratamiento térmico como: al recocido
(al fierro fundido y al acero), tratamiento de envejecimiento o
maduración artificial (a las aleaciones de aluminio), o
pueden ser recubiertos con materiales protectores especiales:
galvanizado, estañado, cromado, niquelado, etc.

• 11. Mecanizado.

Se lleva a cabo en las máquinas herramientas y
tiene por objeto dimensionar exactamente la pieza fundida para
que pueda ser ensamblada perfectamente en la
máquina.

1.3. Arenas de moldeo para
fundición[3]

Se entiende por arena de moldeo a la mezcla preparada
para hacer cavidades de molde y cuyos componentes básicos
son: sílice, arcilla y agua, también se les
denomina tierra de fundición.

• a. Arena.- De forma general se define a
  la arena como un mineral refractario cuyos tamaños de
  grano varía entre 0.005 y 2mm.

• b. Arena natural.- Se le llama
  así a las arenas de fundición que se emplean
  tal cual y como se encuentran en el yacimiento, generalmente
  el porcentaje de arcilla e impurezas puede llegar al
  20%.

• c. Arena artificiales.- Son las
  obtenidas en base a una arena lavada, aglutinante y agua
  tratada.

• d. Arena vieja.- Es la arena que
  proviene del desmoldeo.

1.3.1. Clasificación de las arenas naturales
según el contenido de arcilla

1. Arena silícea. Es el material arenoso
en el cual la arcilla se presenta en una cantidad inferior al 5%
y que por este motivo debe mezclarse con un aglutinante
apropiado.

2. Arena arcillosa. Es el material arenoso en el
cual la arcilla (que es el aglutinante), se presenta en una
cantidad superior al 5%.

Clasificación de las arenas según su
porcentaje de humedad

Arenas verdes o humedecidas. Es el tipo que
más comúnmente se emplea. Las partes del moldeo se
utilizan directamente después de fabricarlos y conserva la
humedad original de las mezclas. El porcentaje de humedad
está comprendido entre 3 y 8%, el porcentaje de arcilla
puede estar entre 4 y 8%, este tipo de arena de fundición
se emplea por su rapidez de fabricación y
economía.

Arenas secas. En este tipo de arenas, las partes
del molde han sido secadas en una estufa para eliminar su humedad
(generalmente a temperatura menor de 200 ° C) con este
procedimiento se obtiene un molde más duro y resistente,
se obtiene un mejor dimensionamiento de la pieza terminada y los
moldes son menos propensos a agrietarse, romperse o formar soplos
de gas.

Constituyentes básicos de una arena
silícea:

a.- Sílice o cuarzo (bióxido de silicio
SiO2). Se encuentra en una proporción aproximada entre
el 80 a 90% y es el componente fundamental de una arena de
moldeo, su costo es barato debido a la abundancia en la
naturaleza, no posee cohesión entre sus partículas,
por lo que se recurre a un aglutinante para darle la
cohesión entre sus partículas. La sílice es
un material refractario y que se funde a 1725°C. Existen dos
tipos de sílice empleados corrientemente en
fundición:

• Sílice natural. Tal como se encuentra
  en el yacimiento (arena de lago, lecho de rio, etc.),
  mezclado con arcilla y también impurezas. Se logra su
  cohesión agregándole aglutinantes tales como:
  cereales, alquitrán, cementos, etc., en porcentajes
  que varían de 1 a 3" que mezclados con agua le dan
  gran resistencia a la mezcla.

• Sílice lavada (sintética). Se
  obtiene al eliminar por lavado de minerales arcillosos e
  impurezas. Las arenas se suministran normalmente
  después de haber sido clasificadas y con
  granulometrías de acuerdo a normas
  establecidas.

b.- Arcilla. (Silicato hidratado de aluminio). Se
encuentra en una proporción aproximada de 10%, sirve para
cohesionar los granos de sílice, mantiene sus propiedades
de aglomerante hasta 1400°C (temperatura de
reblandecimiento), si supera esta temperatura la arcilla pierde
sus cualidades de aglutinante y se comporta como una
sílice cualquiera.

c.- Agua. La arena de moldeo debe tener un
porcentaje óptimo de agua de entre 5 y 7%. Si trabajamos
con un porcentaje bajo de agua, disminuimos la resistencia
mecánica de la arena. Si trabajamos con un porcentaje alto
de agua, superior al 7%, al momento de colar el metal
líquido, se formaran muchos vapores de agua en la cavidad
del molde, cuya evacuación es difícil y por ese
motivo pueden formarse sopladuras.

Propiedades de las arenas de moldeo.

• a. Resistencia en verde. Este concepto
  es válido para las arenas humedecidas, se logra por la
  compactación de la arena y depende principalmente del
  porcentaje de arcilla y del porcentaje de humedad, se logra
  aumentar esta en verde adicionándole
  cereales.

• b. Resistencia en seco. Cuando no existe
  un porcentaje de humedad, sirve para evaluar las cualidades
  de resistencia mecánica de una arena, se puede
  aumentar esta resistencia en seco adicionándole
  silicatos, debiendo soportar la acción erosiva del
  metal.

• c. Resistencia al calor. Es la capacidad
  de la arena de fundición de soportar altas
  temperaturas del metal sin desmoronarse, se puede aumentar
  esta resistencia agregándole oxido de fierro, harina
  de sílice o alquitrán en polvo.

Estabilidad térmica. Es la propiedad de la
arena de poder soportar los cambios bruscos de temperaturas sin
sufrir desmoronamientos en el momento de la colada.

Refractabilidad o refractariedad. Es la propiedad
de las arenas de fundición de soportar las altas
temperaturas sin que se presenten signos de función
(quemado), y depende del tipo de contenido de arcilla. Para
aumentar la refractariedad se puede agregar polvo de
grafito.

Permeabilidad. Es la propiedad que debe tener la
arena para dejarse atravesar por los gases producidos durante la
colada, por el aire contenido inicialmente en la cavidad del
molde y por el vapor de agua que se forma durante la colada. La
permeabilidad depende de los siguientes factores:

a. Contenido de humedad. El contenido
óptimo de humedad de una arena de molde debe estar entre 5
y 7%. A mayor o menor contenido de humedad la permeabilidad
disminuye.

b. Contenido de la granulometría. Cuando
los granos son más grandes darán mayor
permeabilidad, y los granos pequeños darán menor
permeabilidad.

Fig. 6. Índice de finura de la
arena

c. Forma del grano. Los granos esferoidales dan
mejor permeabilidad comparados con los granos de forma
angular.

d. Distribución del tamaño del
grano. Un rango amplio de distribución de los granos
(en muchos tamices) nos dará una mayor permeabilidad
comparada con una distribución más compacta (en 3 o
4 tamices adyacentes) que tendrá mayor
permeabilidad.

e. Intensidad del apisonado. A mayor intensidad
de compatibilidad, mayor será la permeabilidad, y a menor
intensidad de comparación será menor la
permeabilidad.

f. Contenido de arcilla. Es más permeable
aquella arena de moldeo que contenga menor cantidad de
arcilla.

g. La Plasticidad. Es la propiedad de la arena de
fundición de reproducir los detalles mínimos de la
forma del modelo y depende de 2 factores:

1.-De la fluencia. Que es la propiedad de la
arena para transmitir a toda su masa las cargas aplicadas en su
superficie.

2.-De la deformabilidad. Que es la propiedad de
la arena de cambiar de forma con suma facilidad, dependiendo del
porcentaje de arcilla y del porcentaje de humedad.

h. La Colapsibilidad. Es la propiedad de la arena
de soportar concentraciones producidas por efecto de la
distorsión y también debido a las acciones
mecánicas.

1. Debe permitir un buen acabado. Una arena de
granulometría fina da mejor acabado que una arena de
granulometría gruesa o basta.

2. Debe ser reusables. Después del
desmoldeo deben tener la propiedad de ser usadas nuevamente para
la confección de nuevos moldes, cuidando siempre que tenga
una buena permeabilidad y las otras cualidades deseables
básicas.

Deben ser fáciles de preparar y
moldear.

Las propiedades enumeradas en la tabla son las
características fundamentales en una arena de
fundición, con el transcurso de los años, varias
empresas que se dedican a la fundición aportan datos muy
valiosos y que fueron recopilados por la norma ISO 2000-2008
(ITINTEC), en el siguiente cuadro se hace una recopilación
para fundir un grupo de metales trascendentales y
usados.

TABLA N° 1

1.4. Aditivos aglutinantes básicos en la
fundición.

En forma genérica, son los productos capaces de
dar cohesión y plasticidad a una mezcla preparada de arena
y agua, para lograr esto los granos de arena quedan ligados y
cohesionados entre sí por películas formadas con la
mezcla del agua + un aglutinante. Existen dos grandes grupos de
aglutinantes:

Aditivos o aglutinantes
orgánicos.

Se utilizan como aditivos o mejoradores, son productos
que añadidos a las mezclas de arena es pequeños
porcentajes, impiden la aparición de ciertos defectos,
mejoran su calidad y facilitan su desmoldeo y limpieza. Los
aditivos orgánicos más utilizados son:

a.- Las Dextrinas. Se obtienen tratando con
ácidos minerales, el almidón de maíz, yuca u
otros almidones. Existen cuatro tipos de dextrinas
comúnmente utilizados en la fundición y
son:

– Goma Inglesa

– Dextrina blanca

– Dextrina rubia

– Goma alcalina

b.- Los Cereales. Se utilizan cuando se quiere
aumentar la resistencia de la arena verde, en porcentajes
aproximados de 2 a 2.5%, mezclados con 2% de agua, tiene la
propiedad de reducir la evaporación del agua de la
mezcla.

c.- La Melaza. Se emplea en porcentajes que van
de 2.5 a 3%, y sirve para dar mayor cohesión a la arena de
moldeo.

d.- El Alquitrán. Es un derivado del
petróleo y se emplea en la confección de machos en
un porcentaje de 2% (el macho una vez confeccionado se debe
llevar al horno hasta unos 150°C aprox.). Como ventaja da
mayor resistencia a la arena seca, su principal defecto es que
crea acumulación de gas.

e.- La Lignina.- Es un subproducto de la
celulosa, se emplea en porcentajes que van de 2.5 a 3% y sirve
para dar mayor cohesión a la mezcla.

f.- Las Resinas. Se encuentran en forma natural o
sintética, se utilizan en porcentajes que van de 1.5 a 2%
de la mezcla. Ejemplo: La urea.

g.- Los Aceites. Se utilizan mezclándolos
con otros aditivos (cereales), en un porcentaje aproximado de 2%,
el más utilizado y el mejor es el aceite de linaza, pero
tiene la desventaja de ser muy caro, y se tiende a reemplazarlo
por aceite de harina de pescado que es de menor calidad, pero,
más barato y abundante.

Aditivos o aglutinantes
inorgánicos:

a.- Aglutinantes arcillosos. Existen 3 grupos de
minerales arcillosos en los que predomina un constituyente sobre
los demás:

Arcillas illiticas (grupo illita).Tienen como
constituyentes básicos la illita, y está formado
por las arcillas ordinarias o materiales cuyo punto de
fusión fluctúa entre 1300 y 1400°C.

Arcillas montmorillonita (grupo
montmorillonita)

Tiene como constituyente básico la
montmorillonita, y los más importantes son:

Bentonita sódica 1250 – 1350°C

Bentonita cálcica 1250 – 1350°C

Arcillas caolinitas (grupo caolinita).- Tienen
como constituyente básico la caolinita, y los principales
son:

b.- Aglutinantes cementosos. Los más
utilizados en fundición son:

Cemento portland.- Se lo utiliza para evitar el
desmoronamiento y dar rigidez a la cavidad del molde, se mezcla
con arena silícea y agua en porcentajes que va de 8 a 10%,
antes de utilizar el molde hay que tener en cuenta el tiempo que
tarda en fraguar el cemento.

Silicato de sodio. De preferencia se emplea en la
fabricación de machos, en una proporción de 10cm3
de silicato de sodio por 1 kg de arena silícea.

El moldeo. Consiste en obtener una
reproducción en negativo de la pieza, es el espacio
vaciado en el cual ha de colarse el metal líquido que al
solidificarse, adquirirá la forma del moldeo. Según
los materiales empleados y su consiguiente duración los
moldes (formas vacías), se dividen en:

• Moldes transitorios, perdidos, de arena

• Moldes permanentes de materiales cementosos o en
  coquilla.

Según el procedimiento de obtener el molde y las
operaciones auxiliares (extracción del modelo, retoque,
etc.), se distinguen:

a.- Moldeo a mano. Es el tipo de moldeo en el
cual todas las operaciones se realizan manualmente o con la ayuda
eventual de medio de transporte y levantamiento (grúas,
carretillas, planos inclinados, etc.), o de utensilios
mecánicos, (atacadores neumáticos o
eléctricos, vibradores, etc. ). Se emplea generalmente en
los pequeños talleres de fundición.

b.- Moldeo a máquina. Cuando algunas o
todas las operaciones (compactación de la arena,
extracción del modelo, retoque, etc. ) son realizadas por
las máquinas adecuadas. En el moldeo mecánico es
indispensable la ayuda de medio de levantamiento y de transporte
para asegurar en las operaciones auxiliares el mismo ritmo de
producción que el que imprimen las máquinas de
moldear.

Tipos de modelos[4]

a.- Modelo enterizo: Llamados también al
natural o a toda vista, se utilizan cuando existe facilidad para
la extracción del modelo de las cajas del moldeo. Este
tipo de modelo no necesita línea de
partición.

b.- Modelo partido: Se utilizan considerando una
o varias líneas de partición, de acuerdo con la
complejidad del objeto a fundir, por razones de facilitar la
extracción del modelo de la cavidad del molde.

Fig. 7. Tipos de modelos en
madera

c.- Placa-modelo: Se utiliza cuando se quieren
fabricar varias cavidades de molde para piezas pequeñas,
consiguiéndose con esto un ahorro de tiempo en la
producción en serie. Son casi siempre de metal, pero por
razones de economía se emplea también la madera.
Según el tipo de pieza y la máquina de moldear, las
placas modelo pueden ser:

Placa modelo simple: Cuando el modelo está
ubicado en una sola cara de la placa modelo :

Placa modelo doble: Cuando los modelos
están ubicados en las 2 caras de la placa
modelo:

d.- Modelo en racimo: Cuando los ductos por donde
circulara el metal fundido son metálicos y generalmente
esta formados por 2 tapas unidos rígidamente. Este
método es bastante antiguo y su aplicación
actualmente es muy rara.

Fig. 8. Modelo tipo
racimo

Selección de materiales para los
modelos.

• Facilidades para ser trabajados

• Inoxidabilidad

• Peso

• Absorción de la madera (contenido de humedad
  bajo)

• Sistema de moldeo

• Disponibilidad de la materia prima

• Economía del material

• Número de piezas a fabricar

• Como regla general, si es bastante la
  producción de una determinada pieza se debe pensar en
  un modelo metálico, y si es reducida la
  producción se debe pensar en un modelo de
  madera.

• Modelo de madera: la madera es el material
  más utilizado para hacer modelos, y se requiere que su
  contenido de humedad sea bajo y constante (madera seca), para
  evitar el alabeo, o un hinchamiento del mismo por exceso de
  absorción de la humedad.

Ventajas de los modelos de madera:

• Fácilmente deformables

• Fabricación rápida

• Poco peso

• Costo relativamente barato

Desventajas de los modelos de madera:

• Poca resistencia a la abrasidad de la
  arena

• Sensible a la acción atmosférica, para
  evitar esto se le recubre con un barniz.

• Resistencia mecánica limitada

• Su duración como modelo es
  limitado.