67.50 Materiales Ferrosos y sus Aplicaciones Criterios para el diseño de piezas fundidas Posiciones de Moldeo Una cuestión muy importante a la hora de considerar la fabricación de la pieza fundida será la posición en que ésta será moldeada. Esto determinará la forma y cantidad de componentes que arman el molde. En muchos casos, dependiendo de la posición en que se moldee la pieza se obtendrán disminuciones mas que interesantes en los costos de fabricación pero más importante aún, en muchos casos realizar ingeniería de moldeo puede ser la diferencia entre poder o no poder fabricar una pieza con la calidad adecuada. A continuación mostramos sólo algunas de las distintas posiciones para una misma pieza. Cada solución tendrá sus ventajas y desventajas intrínsecas y según el caso existirán una o varia que sean equivalentes. Fisuras A causa de las altas temperaturas de colado, las fundiciones ferrosas son particularmente susceptibles de agrietamiento o rotura en el molde. La contracción total es alta y a temperaturas críticas la resistencia en caliente y la ductilidad son bajas. Estos defectos pueden ser causados por influencias externas o por características inherentes. La única influencia externa de importancia es el efecto del molde, el cual puede impedir la contracción normal y causar grietas, rajaduras, o alabeo. Pueden reducirse los esfuerzos por medio de un moldeo prudente o por medio de consideraciones de diseño. A veces se usan pequeñas barras de amarre para impedir el agrietamiento en zonas críticas, y aquellos miembros rectos tales como los radios de una rueda pueden ser curvados para reducir los esfuerzos. Los esfuerzos que surgen de condiciones inherentes son aquellos debidos estrictamente al diseño y la composición del metal. Las secciones delgadas en las piezas fundidas se enfrían y contraen mucho más rápido que las partes gruesas. Si tales miembros están rígidamente unidos entre sí, se desarrollarán esfuerzos elevados al enfriarse a distintas velocidades. Los miembros pequeños pueden, o bien agrietarse para aliviar los esfuerzos, o deformarse plásticamente sin agrietarse; si no hay agrietamiento ocurre una deformación al contraerse los miembros más grandes en tiempos diferentes que los miembros chicos. El agrietamiento puede aún desarrollarse en barras rectas que no estén sujetas en sus extremos. Según se enfría y contrae la sección, puede desarrollarse la suficiente resistencia por fricción entre el molde y el metal como para romperse la pieza fundida. Si la barra es uniforme en cuanto a su sección, no se desarrollará ninguna región de debilidad en particular, y la barra no se Moldeo 1 67.50 Materiales Ferrosos y sus Aplicaciones agrietará porque la solidificación y la contracción tienen lugar de manera uniforme en toda la sección. Sin embargo, si se une otro miembro a la barra recta, se forma un punto caliente y el patrón de solidificación conduce al agrietamiento en caliente. La composición del metal influye en las tendencias al agrietamiento de tres maneras: 1- por la resistencia y ductilidad inherentes a temperaturas críticas. 2- por la existencia y duración de las transformaciones sólidas. 3- por la presencia de impurezas, como el azufre en los bordes del grano. No existen datos cuantitativos extensos que sirvan de guía a los ingenieros diseñadores. En general, los aceros simples de bajo contenido de carbono y alta calidad resisten el agrietamiento mejor que los aceros de aleación, y los hierros grises son menos susceptibles que los hierros de aleación. En las fundiciones de hierro y no-ferrosas, el agrietamiento es usualmente más un asunto de diseño que de composición. Solidificación direccional Los gradientes de temperatura al solidificarse una fundición deben controlarse favorablemente si se han de hacer fundiciones macizas. El ingeniero diseñador es en gran parte responsable de la relativa facilidad o dificultad con que el fundidor pueda hacerlo; en ocasiones el diseño es tan malo que no puede obtenerse una solidificación direccional progresiva adecuada. Para facilitar su comprensión, se tratarán por separado y discutirán en orden las diversas consideraciones de diseño. Las secciones gruesas no pueden alimentarse a través de secciones delgadas. Los diversos miembros o partes componentes de las fundiciones se unen en las formas de L, Y, T, X, o V. Moldeo 2 67.50 Materiales Ferrosos y sus Aplicaciones La sección T es la que elegimos aquí para representar la serie. Inscribiendo círculos, como se ve en la Fig. es fácil determinar que la región cubierta por el círculo d es una masa de metal más grande que la cubierta por los círculos a, b, o c. Esto significa que, bajo condiciones de enfriamiento normales, el metal que está en el centro de la región d es un punto caliente, y el último en solidificarse. Usualmente no es conveniente ni económico colocar un cargador en este punto, y es necesario confiar en la alimentación a través de uno o más de los brazos de un cargador colocado a una cierta distancia. Puesto que los brazos son más pequeños, se enfriarán naturalmente antes que la zona de unión, estrangulando entonces la alimentación, y desarrollándose un rechupe. La Fig. muestra diversos métodos de corrección. Métodos para la eliminación de un punto caliente en una sección en forma de T 1. El diseñador ha de intentar reducir el número de uniones a las menos posibles, y elegir la que represente menos dificultades; la unión en L, por ejemplo, presenta menos problemas y es más fácil de tratar que las secciones en Y o en V; la sección L es también más fácil de corregir únicamente por diseño que cualquiera de las otras. A veces es imposible limitar el número de uniones, excepto cuando se cuelan segmentos de la pieza y se unen éstos más tarde soldando o remachando; a veces vale la pena echar mano de este recurso. 2. De ser posible las secciones deben ir ensanchándose hacia el cargador. A menudo debe hacerse un compromiso con la condición ideal para cumplir requisitos de peso y costo. La Fig. 10.13 ilustra el diseño de una válvula fundida: una de las mitades muestra la situación usual en que no se haya hecho intento alguno de promover la alimentación por los métodos naturales; la otra mitad está diseñada correctamente. 3. Las fundiciones cilíndricas son difíciles de obtener como piezas macizas por métodos estáticos; se hacen mejor por fundición centrífuga. Para hacer fundiciones cilíndricas (de acero o de metales no ferrosos) carentes de rechupado central por métodos estáticos, es necesario el recurso del ensanchamiento o algún otro método elaborado. El cilindro puede ser ensanchado y alimentado de cualquiera de las tres maneras mostradas en la Fig. 10.14. Moldeo 3 67.50 Materiales Ferrosos y sus Aplicaciones Fig. 10.13. Diseño de una pieza teniendo en cuenta la solidificación direccional (controlada) Fig. 10.14. Métodos alternativos de compensación de un tubo de fundición para promover una solidificación direccional 4. Las superficies planas horizontales son indeseables. Las fundiciones con superficies planas son particularmente difíciles de ejecutar porque es difícil impedir el rechupado central ya que los gradientes de temperatura no son favorables y la escoria y otras impurezas más ligeras que el metal tienden a reunirse sobre las superficies planas. Siempre que sea posible es mejor tener superficies curvadas o hacer fundiciones en que sus superficies planas sean o verticales o inclinadas con respecto a la horizontal. 5. Deben evitarse los puntos calientes aislados. Corazones pequeños o bolsas de arena rodeadas de metal, reducen la velocidad de enfriamiento en comparación con regiones más abiertas. Si no se proveen medios especiales para enfriar (templaderas) o para alimentarlas, éstas regiones, se rechuparán o agrietarán con toda seguridad. Flujo del metal Los espesores mínimos que se pueden lograr son una función de la composición del metal. En general, las fundiciones en arena de hierro gris y de aleaciones a base de aluminio, de magnesio, y de cobre no deberán diseñarse en secciones menores de 3.5 mm de espesor cuando las piezas sean muy pequeñas, o no menos de 5 a 6 mm cuando las piezas son grandes; las fundiciones de acero, cuando son pequeñas, no deberán ser nunca menores de 6.5 mm de espesor, y, de ser grandes, no menos de 13 mm de espesor. Los hierros que contengan de 0.5 a 1.0% de fósforo llamados hierros de estufa) pueden ser a veces tan delgados como 1.5 mm; son un ejemplo los radiadores para calefacción central. Moldeo 4 67.50 Materiales Ferrosos y sus Aplicaciones Estas consideraciones son conservadoras y se aplican solamente a la práctica promedio de fundición en arena; los nuevos métodos de fundición amplían enormemente el campo para las fundiciones más delgadas, pero ello constituye un capítulo especial. Factores de seguridad Los factores de seguridad empleados en el diseño de fundiciones pueden reducirse a menudo. Los ingenieros emplean usualmente factores de seguridad elevados, con frecuencia de 3 a 1, cuando las fundiciones son para aplicaciones estructurales críticas. Las propiedades mecánicas de las piezas macizas, hechas con propiedad con metal bien fundido, son comparables a las de los materiales forjados. A menudo se hacen comparaciones desfavorables entre las forjas y las fundiciones bajo la base de partes que no son tan susceptibles de fundición como de forjado. Con los métodos de inspección de que se dispone corrientemente y con la práctica mejorada en el taller de fundición no hay ninguna necesidad de emplear una fundición defectuosa en una aplicación estratégica. Bajo costo Después de haber estudiado los dibujos y de haber fijado en la mente un diseño, todavía queda el problema de la construcción del modelo. Los problemas de la manufactura de modelos deberán ser del conocimiento del diseñador, (antes de fijar el diseño) cuando menos hasta el punto de determinar lo que puede ser alterado para hacer más económica la construcción del modelo. Es mucho esperar que un diseñador sea un modelista dotado. Nuevamente, la experiencia práctica es la mejor guía en la imposibilidad de formular reglas rigurosas; pero parece deseable recalcar la importancia del diseño en los costos del modelo. El número de operaciones necesarias para hacer moldes y noyos y para armarlos para dar por resultado una fundición está determinado por el diseño; también puede hacerse mucho en el tablero de dibujo para reducir al mínimo el número y complejidad de los noyos necesarios. La manufactura y la colocación de los noyos son operaciones caras. Para la mayoría de los ingenieros diseñadores su problema termina cuando el trazado final va al taller; sería excelente idea que pudiera seguir sus creaciones a través de todas las etapas hasta la fundición final. Modelos Tanto el productor como el consumidor de fundiciones podrían ahorrarse inconvenientes y dinero si ellas pudieran hacerse a una escala tan precisa como puede hacerse un modelo de plástico o de madera; aun el ingeniero o el fundidor mejor entrenado pierden detalles importantes en el diseño cuando todo lo que ven es la copia de un dibujo. Pueden predecirse las zonas de rechupe en potencia y/o de agrietamiento, así como colocar juiciosamente las coladas y los cargadores sin hacer uso de tanteos, y obtener un ahorro de dinero en los cambios en la construcción de modelos antes de hacerlos; si es necesario, puede hacerse una pieza a tamaño de modelo y cortarla para su inspección, con vistas a determinar problemas de fundición potenciales. Haciendo modelos seccionales, cada parte de la pieza puede ser estudiada y hacer sobre ellas decisiones importantes. Los plásticos transparentes son excelentes para el trabajo de modelado; también puede usarse arcilla de modelar para simular protuberancias y otras características importantes. Se han hecho ya un gran número de modelos que prueban las ventajas de este procedimiento. Resumen El buen diseño de una fundición debe responder satisfactoriamente a estas preguntas: ¿Permite una manufactura económica por los métodos standard? Moldeo 5 67.50 Materiales Ferrosos y sus Aplicaciones ¿Pueden colocarse los cargadores y otras dependencias tales como coladas y templaderas a manera de conseguir solidez? ¿Pueden reducirse al mínimo los esfuerzos potenciales de enfriamiento por medio de un diseño más sencillo? ¿Se promueve la solidificación direccional? Entre las reglas específicas para un diseño satisfactorio están: Reducir los esfuerzos limitando los cambios bruscos en el espesor. Utilizar solidificación direccional hacia los cargadores Evitar secciones delgadas entre los cargadores y las secciones gruesas Evitar superficies planas y horizontales extensas Evitar puntos calientes aislados que hagan difícil la alimentación Criterios geométricos Unión a 90° de igual espesor (izq.) y de distinto espesor (der.) Si el ángulo exterior debe ser recto por necesidades constructivas o de diseño, entonces se deben seguir las indicaciones de la figura Caso de uniones en V Influencia de los ángulos vivos. Aquí vemos dos acometidas que generan rechupes y puntos calientes, pero la solución izq. es mucho peor que la derecha Moldeo 6 67.50 Materiales Ferrosos y sus Aplicaciones Acometidas en T: Se recomienda ensamblar la menor cantidad de elementos posibles en una misma zona para no favorecer la acumulación de masa metálica. Trazados incorrectos Trazados correctos Acometidas en Y: Nervaduras y refuerzos: Deben evitarse en lo posible las acumulaciones de masa como en figura izq., y siempre serán preferibles soluciones como la figura derecha. Moldeo la 7 67.50 Materiales Ferrosos y sus Aplicaciones Distribución de refuerzos: El trazado de la derecha es mucho mejor que el inicial en lo que hace a esfuerzos internos remanentes por la solidificación. Ej. de mejora de un diseño. El volante de la figura se puede mejorar curvando los brazos para darles flexibilidad enfriarse. Además, colocándole un numero impar brazos se mejora la simetría los esfuerzos de solidificación. Todo esto para hacer la pieza mas flexible y permitir las distorsiones que provoca el enfriamiento sin fisurarse. Empalmes: Dependiendo del caso, hará necesaria la utilización de diferentes soluciones como las mostradas en esta figura. Manteniendo en todo momento la sección lo mas constante posible. Moldeo al de en se 8 67.50 Materiales Ferrosos y sus Aplicaciones Ejemplo de una bancada de maquina herramienta. Las secciones de los patines deben unirse a las paredes mas finas en forma progresiva para evitar puntos calientes y rechupes. Moldes y noyos En la figura podemos ver un corte de un molde completamente montado y listo para colar. El n°1 es un noyo interno típico, que va a formar luego de solidificada la pieza, un hueco interior. Los n°2 y 4 son noyos exteriores. Los n° 3 y 5 son noyos exteriores que hacen las veces de soporte de centrado al noyo n°1. Moldeo 9 67.50 Materiales Ferrosos y sus Aplicaciones Cuantas menos piezas posea un molde, mas sencillo y barato será armarlo y utilizarlo. Por lo tanto solo deben aplicarse los noyos exteriores en los casos donde no sea posible en ninguna posición de moldeo la utilización de moldes sobre y bajero enterizos o en piezas de formas muy complejas. Caja sobre Noyo Caja bajera Moldeo 10 67.50 Materiales Ferrosos y sus Aplicaciones Procesos de Moldeo Shell-Moulding 1. Por rotación, la placa modelo se cierra formando la tapa del contenedor de arena y resina termoendurecible. 2. Luego de voltear el conjunto, la arena y la resina toman contacto con la placa modelo precalentada a 300°C. Entre 20 y 30 seg. después se forma una cáscara de algunos mm de espesor sobre el modelo con la forma de este. El conjunto vuelve a su posición inicial, dejando caer la arena y resina que no se utilizaron de vuelta en el contenedor. Luego sobre el modelo ha quedado adherida una cáscara con la forma de este. 4. Se retira la placa modelo sobre la que está adherida la cáscara y esta queda visible. 5. Mediante la aplicación de calor, se termina de endurecer la cáscara formada para garantizar su resistencia mecánica. 6. Luego se extrae el molde formado mediante un sistema de extractores que lo separan de la placa modelo. Moldeo 11 67.50 Materiales Ferrosos y sus Aplicaciones A la cera perdida 1. Realización de los modelos mediante la inyección de cera en moldes metálicos. 2. Ensamble de los modelos de cera en racimos para producción seriada. 3. Inmersión de los racimos en un baño fluido de arenas refractarias, que se adhieren a éstos formando un costra de varios mm de espesor. El proceso se repite hasta lograr el espesor adecuado. 4. Luego de endurecerse la capa de refractario, se calienta el conjunto para fundir la cera y dejar la cáscara hueca con la forma de los racimos de piezas. 5. Colado de la aleación en estado líquido dentro del molde, se deja enfriar al aire. 6. Separación de las piezas y control dimensional. Moldeo 12 67.50 Materiales Ferrosos y sus Aplicaciones Al Modelo perdido 1. Confección del modelo en telgopor con su sistema de alimentación incluido. 2. Se coloca el modelo dentro de la caja única, sin noyos y con arenas refractarias prensadas en frío. 3. Colado de la pieza directamente sobre el modelo de telgopor. Éste se ira quemando y dejando en su lugar a la aleación con la forma de la pieza. 4. Luego del desarme del conjunto, se obtiene la pieza sin uniones ni costuras por la ausencia de uniones en el molde. Moldeo 13 67.50 Materiales Ferrosos y sus Aplicaciones Con placa modelo 1.Colocar la placa modelo dentro de la caja del semi molde superior (sobre). 2. Se rellena con arena refractaria y se compacta para lograr un mejor copiado del modelo. 3. Una vez endurecida la arena, se retira el semi molde superior (sobre) con el canal de colada ya abierto. 4. Se realiza idéntica operación pero con el semi molde inferior (bajero), para lograr el molde completo. 5. Se colocan los noyos si los hubiera y se montan ambas partes con ayuda de las guías de centrado. Luego se cuela la aleación fundida. 6. Luego de la solidificación, se retira la arena del molde y se obtiene la pieza. Moldeo 14 67.50 Materiales Ferrosos y sus Aplicaciones En maquina automática 1. Los moldes se comprimen en la cámara de moldeo con alimentación automática de la arena. La placa rebatible y la cabeza del pistón, dan a la arena la forma de la pieza en cada cara. 2. El molde de la pieza esta constituido por dos moldes consecutivos apoyados fuertemente uno contra el otro 3. En caso de ser necesario, la maquina esta preparada para permitir la colocación automática in situ de los noyos. 4. Cada nuevo molde es llenado por el sistema automático de colado que los hace avanzar en fila por una pista de colado. Luego de la solidificación, se desmoldan. Moldeo 15 67.50 Materiales Ferrosos y sus Aplicaciones Manual con modelo suelto 1. Se coloca el modelo y el sistema de alimentación sobre la mesa de trabajo dentro de la caja bajera. 2. Se echa la arena hasta cubrir completamente el modelo y se prensa. 3. Se voltea la caja bajera y se extrae el canal de colado. La caja sobre se coloca en posición con la ayuda de las guías y se llena con arena. 4. Una vez endurecida, se desmolda y se extrae el modelo. 5. Terminación del molde. 6. Cierre del molde y colado del metal fundido. Luego desmolde de la pieza. Moldeo 16