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Fundición en arena

La parte superior e inferior (mitades superior e inferior, respectivamente) de un molde de arena, con los núcleos colocados en la parte inferior. Dos conjuntos de piezas fundida...

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La parte superior e inferior (mitades superior e inferior, respectivamente) de un molde de arena, con los núcleos colocados en la parte inferior.
Dos conjuntos de piezas fundidas en bruto (bronce y aluminio) que muestran la característica textura granulada de la superficie antes del acabado. En el diseño contemporáneo, esta "piel de arena" se conserva a menudo por su valor estético.

La fundición en arena , también conocida como moldeo en arena , es un proceso de fundición de metales que se caracteriza por el uso de arena —conocida como arena de fundición— como material de molde . El término «fundición en arena» también puede referirse a un objeto producido mediante este proceso. Las piezas fundidas en arena se producen en fábricas especializadas llamadas fundiciones . En 2003, más del 60 % de todas las piezas fundidas de metal se produjeron mediante fundición en arena. [ 1 ]

Los moldes de arena son relativamente económicos y suficientemente refractarios incluso para su uso en fundiciones de acero. Además de la arena, se mezcla con un agente aglutinante adecuado (generalmente arcilla). La mezcla se humedece, normalmente con agua, pero a veces con otras sustancias, para desarrollar la resistencia y plasticidad de la arcilla y hacer que el agregado sea apto para el moldeo. La arena suele estar contenida en un sistema de marcos o cajas de moldeo conocido como caja de moldeo . Las cavidades del molde y el sistema de compuertas se crean compactando la arena alrededor de modelos llamados patrones , esculpiendo directamente en la arena o mediante impresión 3D .

Proceso básico

Este proceso consta de cinco pasos:

  1. Coloca un dibujo en la arena para crear un molde.
  2. Incorpore el patrón y la arena en un sistema de compuertas. Retire el patrón.
  3. Rellene la cavidad del molde con metal fundido.
  4. Deje que el metal se enfríe.
  5. Rompa el molde de arena y retire la pieza fundida.
Metal fundido vertido en un crisol sobre arena, con oxidación superficial y residuos típicos del proceso de fundición.

Componentes

Patrones

A partir del diseño, un modelista crea un modelo del objeto a producir, utilizando madera, metal o un plástico como el poliestireno expandido . La arena se puede moler, barrer o espolvorear para darle forma. El metal a fundir se contraerá durante la solidificación, y esta contracción puede ser irregular debido a un enfriamiento desigual. Por lo tanto, el modelo debe ser ligeramente mayor que el producto final, una diferencia conocida como margen de contracción . Se utilizan reglas de escala diferentes para cada metal, ya que cada metal y aleación se contrae en una cantidad distinta a la de los demás. Los modelos también tienen marcas de núcleo que crean registros dentro de los moldes en los que se colocan los machos de arena . Dichos machos, a veces reforzados con alambres, se utilizan para crear perfiles socavados y cavidades que no se pueden moldear con la parte superior e inferior del molde, como los conductos internos de las válvulas o los conductos de refrigeración en los bloques de motor.

Los conductos para la entrada de metal en la cavidad del molde constituyen el sistema de canales de alimentación e incluyen el bebedero , varios alimentadores que mantienen un buen flujo de metal y las compuertas de entrada que conectan el sistema de canales de alimentación con la cavidad de la fundición. El gas y el vapor generados durante la fundición salen a través de la arena permeable o mediante mazarotas [ nota 1 ] , que se añaden ya sea en el propio modelo o como piezas separadas.

Herramientas

Además de los patrones, el operario de moldeo de arena también podía utilizar herramientas para crear los agujeros.

Herramientas y libros sobre moldeo con arena utilizados en Auckland y Nelson, Nueva Zelanda, entre aproximadamente 1946 y 1960.

Caja de moldeo y materiales

Se prepara una caja de moldeo de varias piezas (conocida como caja de colada , cuyas mitades superior e inferior se denominan respectivamente tapa y cola) para recibir el modelo. Las cajas de moldeo se fabrican en segmentos que se pueden unir entre sí y a cierres. Para un objeto simple —plano por un lado— la parte inferior de la caja, cerrada en la base, se llenará con arena de moldeo. La arena se compacta mediante un proceso vibratorio llamado apisonado y, en este caso, se nivela periódicamente . La superficie de la arena se puede estabilizar con un compuesto de encolado. El modelo se coloca sobre la arena y se añade otro segmento de la caja de moldeo. Se compacta arena adicional sobre y alrededor del modelo. Finalmente, se coloca una tapa sobre la caja, se gira y se abre, de modo que se puedan separar las mitades del molde y retirar el modelo con su bebedero y sus orificios de ventilación. Se puede añadir encolado adicional y corregir cualquier defecto introducido al retirar el modelo. La caja se cierra de nuevo. Esto forma un molde "verde" que debe secarse para recibir el metal fundido. Si el molde no se seca lo suficiente, puede producirse una explosión de vapor que proyecte el metal fundido. En algunos casos, la arena se puede aceitar en lugar de humedecer, lo que permite la fundición sin esperar a que se seque. La arena también puede unirse mediante aglutinantes químicos, como resinas de furano o resinas endurecidas con aminas.

La fabricación aditiva (FA) se puede utilizar en la preparación de moldes de arena, de modo que, en lugar de que el molde se forme compactando arena alrededor de un patrón, se imprime en 3D. Esto puede reducir los plazos de entrega para la fundición al eliminar la necesidad de fabricar patrones. [ 3 ] Además de reemplazar los métodos más antiguos, la fabricación aditiva también puede complementarlos en modelos híbridos, como la creación de diversos núcleos impresos mediante FA para una cavidad derivada de un patrón tradicional. [ 3 ]

Escalofríos

Para controlar la estructura de solidificación del metal, es posible colocar placas metálicas, o enfriadores , en el molde. El enfriamiento rápido y localizado resultante formará una estructura de grano más fino y puede generar un metal algo más duro en esas zonas. En las piezas fundidas de hierro, el efecto es similar al temple de metales en la forja . El diámetro interior de un cilindro de motor se endurece mediante un núcleo de enfriamiento. En otros metales, los enfriadores pueden utilizarse para promover la solidificación direccional de la pieza fundida. Al controlar la forma en que se solidifica una pieza fundida, es posible prevenir la formación de huecos o porosidad en su interior.

Núcleos

Los machos son aparatos que se utilizan para generar cavidades huecas o características internas que no se pueden formar utilizando únicamente un patrón en el moldeo. Los machos suelen estar hechos de arena, pero algunos procesos también utilizan machos permanentes de metal.

Para crear cavidades en la pieza fundida —como las necesarias para la refrigeración líquida en bloques de motor y culatas— se utilizan moldes negativos para producir machos . Generalmente moldeados en arena, los machos se insertan en la caja de fundición tras retirar el modelo. Siempre que sea posible, se diseñan piezas que eviten el uso de machos, debido al tiempo de preparación adicional, el peso y, por consiguiente, el mayor coste.

Una vez completado el molde con el contenido de humedad adecuado, se coloca la caja que contiene el molde de arena para llenarla con metal fundido , generalmente hierro , acero , bronce , latón , aluminio , aleaciones de magnesio o diversas aleaciones de metales de baja temperatura , que suelen incluir plomo , estaño y zinc . Tras llenarse con metal líquido, se deja la caja a un lado hasta que el metal se enfríe lo suficiente para alcanzar la resistencia necesaria. A continuación, se retira la arena, dejando al descubierto una pieza fundida en bruto que, en el caso del hierro o el acero, puede seguir incandescente. En el caso de metales significativamente más pesados ​​que la arena de fundición, como el hierro o el plomo, a menudo se cubre el molde con una placa gruesa para evitar el problema conocido como flotación del molde. La flotación del molde se produce cuando la presión del metal desplaza la arena que se encuentra sobre la cavidad del molde, deformándola y provocando el fallo de la pieza fundida.

Izquierda: Caja de machos, con los machos resultantes (reforzados con alambre) justo debajo. Derecha: Patrón (utilizado con el macho) y la pieza fundida resultante debajo (los alambres provienen de los restos del macho).

Tras la fundición, los núcleos se rompen con varillas o granalla y se retiran de la pieza. El metal del bebedero y las mazarotas se corta de la pieza en bruto. Se pueden aplicar diversos tratamientos térmicos para aliviar las tensiones del enfriamiento inicial y aumentar la dureza ; en el caso del acero o el hierro, mediante temple en agua o aceite. La pieza puede reforzarse aún más mediante un tratamiento de compresión superficial , como el granallado , que aumenta la resistencia a la fisuración por tracción y alisa la superficie rugosa. Cuando se requiere alta precisión, se realizan diversas operaciones de mecanizado (como fresado o mandrinado) para acabar las zonas críticas de la pieza. Ejemplos de ello son el mandrinado de cilindros y el fresado de la superficie de un bloque de motor fundido.

Requisitos de diseño

La pieza a fabricar y su patrón deben diseñarse para adaptarse a cada etapa del proceso, ya que debe ser posible retirar el patrón sin alterar la arena de moldeo y contar con ubicaciones adecuadas para recibir y posicionar los machos. Se debe utilizar una ligera conicidad, conocida como ángulo de desmoldeo , en las superficies perpendiculares a la línea de separación, para poder retirar el patrón del molde. Este requisito también se aplica a los machos, ya que deben retirarse de la caja de machos en la que se forman. El bebedero y las mazarotas deben estar dispuestos para permitir un flujo adecuado de metal y gases dentro del molde y así evitar una fundición incompleta. Si un trozo de macho o molde se desprende, puede quedar incrustado en la fundición final, formando una cavidad de arena que puede inutilizarla. Las bolsas de gas pueden causar huecos internos. Estos pueden ser visibles de inmediato o solo revelarse después de un mecanizado extenso. Para aplicaciones críticas, o cuando el costo del esfuerzo desperdiciado es un factor importante, se pueden aplicar métodos de ensayo no destructivos antes de continuar con el trabajo.

Procesos

En general, podemos distinguir entre dos métodos de fundición en arena: el primero, que utiliza arena verde , y el segundo, que es el método de fraguado al aire .

Arena verde

Estas piezas fundidas se fabrican utilizando moldes de arena formados a partir de arena "húmeda", que contiene agua y compuestos orgánicos aglutinantes, generalmente denominados arcilla. El nombre "arena verde" proviene del hecho de que el molde de arena no está "fragmentado", sino que permanece en estado "verde" o sin curar incluso cuando se vierte el metal en él. La arena verde no es de color verde, sino que se denomina "verde" en el sentido de que se utiliza en estado húmedo (similar a la madera verde). Contrariamente a lo que sugiere el nombre , la "arena verde" no es un tipo de arena en sí misma (es decir, no es arena verde en el sentido geológico), sino más bien una mezcla de:

Existen numerosas recetas para la proporción de arcilla, pero todas buscan distintos equilibrios entre la moldeabilidad, el acabado superficial y la capacidad del metal fundido para desgasificarse . El carbón, generalmente denominado carbón marino en las fundiciones , presente en una proporción inferior al 5%, se quema parcialmente en presencia del metal fundido, lo que provoca la liberación de vapores orgánicos. La fundición en arena verde para metales no ferrosos no utiliza aditivos de carbón, ya que el CO generado no impide la oxidación. La arena verde para aluminio suele utilizar arena de olivino (una mezcla de los minerales forsterita y fayalita , obtenida mediante la trituración de roca dunita ).

La elección de la arena depende en gran medida de la temperatura a la que se vierte el metal. A las temperaturas en las que se vierten el cobre y el hierro, la arcilla se inactiva por el calor, convirtiéndose la montmorillonita en ilita , una arcilla no expansiva. La mayoría de las fundiciones no cuentan con el costoso equipo necesario para retirar la arcilla quemada y sustituirla por arcilla nueva; por lo tanto, las que funden hierro suelen trabajar con arena de sílice, que es más económica que otras arenas. A medida que la arcilla se quema, se añade arena nueva y parte de la arena vieja se desecha o se recicla para otros usos. La sílice es la arena menos deseable, ya que los granos metamórficos de arena de sílice tienden a explotar formando partículas submicrométricas al sufrir un choque térmico durante el vertido de los moldes. Estas partículas se dispersan en el aire del área de trabajo y pueden provocar silicosis en los trabajadores. Las fundiciones de hierro invierten considerablemente en sistemas de recolección de polvo intensivos para capturar esta sílice fina. También se utilizan diversos tipos de equipos de protección respiratoria en las fundiciones. [ 4 ] [ 5 ]

La arena también presenta la inestabilidad dimensional asociada a la conversión del cuarzo de cuarzo alfa a cuarzo beta a 680  °C (1250  °F). A menudo, se añaden aditivos combustibles, como harina de madera, para crear espacios que permitan la expansión de los granos sin deformar el molde. Por lo tanto, se utilizan olivino , cromita , etc., ya que no presentan una transición de fase que provoque una rápida expansión de los granos. El olivino y la cromita también ofrecen una mayor densidad, lo que enfría el metal más rápidamente, produciendo así estructuras de grano más fino. Al no ser minerales metamórficos , carecen de los policristales presentes en la sílice y, por consiguiente, no forman partículas submicrométricas peligrosas.

Método "Air set"

El método de fraguado al aire utiliza arena seca unida con materiales distintos a la arcilla, mediante un adhesivo de curado rápido . Este último también se conoce como fundición sin cocción . Cuando se utilizan, se denominan colectivamente piezas de fundición en arena de fraguado al aire para distinguirlas de las piezas de fundición en arena verde. Existen dos tipos de arena de moldeo: la arena natural (arena de ribera) y la arena sintética (arena de lago); esta última suele preferirse debido a su composición más uniforme.

Con ambos métodos, la mezcla de arena se compacta alrededor de un modelo , formando una cavidad en el molde. Si es necesario, se coloca un tapón temporal en la arena, en contacto con el modelo, para formar posteriormente un canal por donde se vierte el fluido de fundición. Los moldes de fraguado al aire suelen formarse con la ayuda de una caja de fundición con una parte superior e inferior, denominadas tapa y fondo . La mezcla de arena se compacta a medida que se añade alrededor del modelo, y a veces se vibra el conjunto final del molde para compactar la arena y rellenar cualquier hueco no deseado. A continuación, se retira el modelo junto con el tapón del canal, dejando la cavidad del molde. El fluido de fundición (normalmente metal fundido) se vierte en la cavidad. Una vez que el metal se ha solidificado y enfriado, la pieza fundida se separa del molde de arena. Normalmente no se utiliza agente desmoldante, y el molde suele destruirse durante el proceso de extracción. [ 6 ]

La precisión de la fundición está limitada por el tipo de arena y el proceso de moldeo. Las fundiciones de arena hechas con arena verde gruesa imparten una textura rugosa a la superficie, lo que facilita su identificación. Las fundiciones hechas con arena verde fina pueden brillar al fundirse, pero están limitadas por la relación profundidad-anchura de las cavidades en el modelo. Los moldes de fraguado al aire pueden producir fundiciones con superficies más lisas que las de arena verde gruesa, pero este método se elige principalmente cuando se necesitan cavidades profundas y estrechas en el modelo, debido al costo del plástico utilizado en el proceso. Las fundiciones de fraguado al aire generalmente se pueden identificar fácilmente por el color quemado en la superficie. Las fundiciones generalmente se granallan para eliminar ese color quemado. Las superficies también se pueden lijar y pulir posteriormente, por ejemplo, al hacer una campana grande . Después del moldeo, la fundición está cubierta con un residuo de óxidos, silicatos y otros compuestos. Este residuo se puede eliminar por varios medios, como el lijado o el granallado.

Durante el proceso de fundición, algunos componentes de la mezcla de arena se pierden en el tratamiento térmico. La arena verde se puede reutilizar tras ajustar su composición para reponer la humedad y los aditivos perdidos. El modelo en sí se puede reutilizar indefinidamente para producir nuevos moldes de arena. El proceso de moldeo en arena se ha utilizado durante siglos para la producción manual de piezas fundidas. Desde 1950, se han desarrollado procesos de fundición parcialmente automatizados para líneas de producción.

Caja frigorífica

El molde de arena fría utiliza aglutinantes orgánicos e inorgánicos que refuerzan el molde mediante adhesión química a la arena. Este tipo de molde recibe su nombre porque no se hornea como otros moldes de arena. Si bien ofrece mayor precisión dimensional que los moldes de arena verde, es más costoso. Por lo tanto, se utiliza únicamente en aplicaciones que lo requieren.

Moldes sin hornear

Los moldes sin cocción son moldes de arena desechables, similares a los moldes de arena típicos, excepto que también contienen una resina líquida de fraguado rápido y un catalizador. En lugar de compactarse, la arena de moldeo se vierte en el molde y se mantiene hasta que la resina se solidifica, lo cual ocurre a temperatura ambiente. Este tipo de moldeo también produce un mejor acabado superficial que otros tipos de moldes de arena. [ 7 ] Debido a que no se utiliza calor, se denomina proceso de fraguado en frío. Los materiales comunes que se utilizan para los moldes son madera, metal y plástico. Los metales comunes que se funden en moldes sin cocción son latón, hierro ( ferroso ) y aleaciones de aluminio.

Moldeo al vacío

El moldeo al vacío ( proceso V ) es una variación del proceso de fundición en arena para la mayoría de los metales ferrosos y no ferrosos, [ 8 ] en el que la arena no adherida se mantiene en el molde con vacío . El modelo está especialmente ventilado para que se pueda extraer el vacío a través de él. Una lámina delgada ablandada por calor ( 0,003 a 0,008 pulg (0,076 a 0,203 mm) ) de película plástica se coloca sobre el modelo y se extrae un vacío ( 200 a 400 mmHg (27 a 53 kPa) ). Un molde especial de termoformado al vacío se coloca sobre el modelo de plástico y se llena con arena de flujo libre. La arena se vibra para compactarla y se forman un bebedero y una copa de vertido en la parte superior. Otra lámina de plástico se coloca sobre la arena en el molde y se extrae un vacío a través del molde especial; esto endurece y fortalece la arena no adherida. A continuación, se libera el vacío del modelo y se retira la parte superior. La parte inferior se fabrica de la misma manera (sin el bebedero ni la copa de vertido). Se colocan los machos y se cierra el molde. El metal fundido se vierte mientras la parte superior e inferior aún están bajo vacío, ya que el plástico se vaporiza, pero el vacío mantiene la forma de la arena mientras el metal se solidifica. Una vez solidificado el metal, se desactiva el vacío y la arena sale libremente, liberando la pieza fundida. [ 9 ] [ 10 ]    

El proceso V se caracteriza por no requerir un ángulo de desmoldeo, ya que la película plástica posee cierto grado de lubricidad y se expande ligeramente al generarse el vacío en el molde. El proceso ofrece una alta precisión dimensional, con una tolerancia de ±0,010  pulgadas para la primera pulgada y ±0,002  pulgadas/pulgada a partir de entonces. Es posible obtener secciones transversales de tan solo 0,090 pulgadas (2,3 mm) . El acabado superficial es excelente, generalmente entre 150 y 125 rms . Otras ventajas incluyen la ausencia de defectos relacionados con la humedad, la eliminación del costo de los aglutinantes, una excelente permeabilidad a la arena y la ausencia de humos tóxicos provenientes de la combustión de los aglutinantes. Finalmente, el modelo no se desgasta, ya que la arena no lo toca. La principal desventaja es que el proceso es más lento que la fundición en arena tradicional, por lo que solo es adecuado para volúmenes de producción bajos a medios; aproximadamente de 10 000 a 15 000 piezas al año. Sin embargo, esto lo hace perfecto para la creación de prototipos, ya que el modelo se puede modificar fácilmente al estar hecho de plástico. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]  

Procesos rápidos de fabricación de moldes

Con el rápido desarrollo de la industria automotriz y de maquinaria, las áreas que requerían fundición exigían una productividad cada vez mayor . Las etapas básicas del proceso de moldeo y fundición mecánica son similares a las descritas para el proceso manual de fundición en arena. Sin embargo, el desarrollo técnico y conceptual fue tan rápido y profundo que la naturaleza del proceso de fundición en arena cambió radicalmente.

Moldeo de arena mecanizado

Las primeras líneas de moldeo mecanizadas consistían en lanzadores de arena o dispositivos de compresión por vibración que compactaban la arena en los moldes. La manipulación posterior de los moldes era mecánica, utilizando grúas, polipastos y correas. Tras el asentamiento del núcleo, las partes superior e inferior se acoplaban mediante pasadores guía y se sujetaban con abrazaderas para mayor precisión. Los moldes se retiraban manualmente mediante una cinta transportadora de rodillos para su vaciado y enfriamiento.

Líneas automáticas de moldeo de arena a alta presión

Las crecientes exigencias de calidad hicieron necesario aumentar la estabilidad del molde mediante la aplicación de una presión de compresión cada vez mayor y métodos modernos de compactación de la arena en los moldes. A principios de la década de 1950, se desarrolló el moldeo a alta presión y se aplicó en líneas de moldeo mecánicas y, posteriormente, automáticas. Las primeras líneas utilizaban vibraciones y sacudidas para precompactar la arena en los moldes y pistones neumáticos para compactar los moldes.

Moldeo horizontal en matraz de arena

En las primeras líneas de moldeo horizontales automáticas, la arena se proyectaba o se dejaba caer sobre el modelo dentro de un molde y se comprimía con una presión hidráulica de hasta 140 bares . El posterior manejo del molde, incluyendo el volteo, el ensamblaje y la salida en una cinta transportadora, se realizaba de forma manual o automática. A finales de los años cincuenta, se utilizaron pistones hidráulicos o sistemas multipistón para la compactación de la arena en los moldes. Este método producía moldes mucho más estables y precisos que los que se podían obtener de forma manual o neumática . A finales de los años sesenta, se desarrolló la compactación del molde mediante una rápida caída de presión de aire o gas sobre el molde de arena precompactada (impulso de arena e impacto de gas). El principio de funcionamiento general de la mayoría de los sistemas de líneas de moldeo horizontales se muestra en el siguiente esquema.

Actualmente existen numerosos fabricantes de líneas automáticas de moldeo horizontal de matraces. Las principales desventajas de estos sistemas son el elevado consumo de repuestos debido a la multitud de piezas móviles, la necesidad de almacenar, transportar y mantener los matraces, y una productividad limitada a aproximadamente 90-120  moldes por hora.

Moldeo vertical sin caja de arena

En 1962, Dansk Industri Syndikat A/S (DISA- DISAMATIC ) inventó un proceso de moldeo sin caja utilizando moldes de separación y vertido vertical. La primera línea podía producir hasta 240 moldes de arena completos por hora. Hoy en día, las líneas de moldeo pueden alcanzar una tasa de moldeo de 550 moldes de arena por hora y requieren solo un operador de supervisión. La discrepancia máxima entre dos mitades de molde es de 0,1 mm (0,0039 pulg.) . Aunque muy rápidos, los moldes de separación vertical no suelen ser utilizados por las fundiciones debido a las herramientas especializadas necesarias para operar en estas máquinas. Los machos deben colocarse con una máscara de machos en lugar de a mano y deben colgar en el molde en lugar de colocarse sobre la superficie de separación.  

Molduras de arena Matchplate

El principio de la placa de patrones, es decir, placas con dos patrones en cada lado de la misma placa, se desarrolló y patentó en 1910, lo que abrió nuevas perspectivas para futuras mejoras en el moldeo en arena. Sin embargo, a principios de la década de 1960, la empresa estadounidense Hunter Automated Machinery Corporation lanzó su primera línea de moldeo horizontal automática sin caja de moldeo, que aplicaba la tecnología de la placa de patrones.

El método, similar al moldeo vertical de DISA (DISAMATIC), no utiliza caja de moldeo, aunque es horizontal. La tecnología de moldeo por placa de emparejamiento se utiliza ampliamente en la actualidad. Su gran ventaja radica en el bajo costo de los moldes de modelado, la facilidad para cambiarlos y, por lo tanto, su idoneidad para la fabricación de piezas fundidas en series cortas, tan típicas de las fundiciones. Las modernas máquinas de moldeo por placa de emparejamiento ofrecen una alta calidad de moldeo, menor desplazamiento de la pieza fundida debido a la desadaptación entre la máquina y el molde (en algunos casos, menos de 0,15 mm (0,0059 pulg.) ), moldes consistentemente estables que requieren menos rectificado y una mejor definición de la línea de separación. Además, las máquinas están cerradas para un entorno de trabajo más limpio y silencioso, con una menor exposición del operario a riesgos de seguridad o problemas relacionados con el servicio.  

Normas de seguridad

La fabricación automatizada de moldes conllevó requisitos adicionales de seguridad laboral. Se aplican diferentes normas técnicas voluntarias según la jurisdicción geopolítica donde se vaya a utilizar la maquinaria.

Canadá

Canadá no cuenta con una norma técnica voluntaria específica para maquinaria de fabricación de moldes de arena. Este tipo de maquinaria está cubierta por:

Protección de maquinaria, CSA Z432. Asociación Canadiense de Normas. 2016.

Además, los requisitos de seguridad eléctrica están cubiertos por:

Maquinaria eléctrica industrial, CSA C22.2 No. 301. 2016.

unión Europea

La norma principal para los equipos de fabricación de moldes de arena en la UE es: Requisitos de seguridad para la maquinaria de moldeo y fabricación de machos de fundición y equipos asociados a la planta, EN 710. Comité Europeo de Normalización (CEN).

La norma EN 710 deberá utilizarse junto con la EN 60204-1 para la seguridad eléctrica, y con las normas EN ISO 13849-1 y EN ISO 13849-2 o EN 62061 para la seguridad funcional. También podrían ser necesarias normas adicionales de tipo C para cintas transportadoras, robótica u otros equipos necesarios para el funcionamiento de la maquinaria de fabricación de moldes.

Estados Unidos

No existe una norma específica para máquinas de fabricación de moldes de arena. La familia de normas ANSI B11 incluye algunas normas genéricas para máquinas herramienta que podrían aplicarse a este tipo de maquinaria, entre ellas:

  • Seguridad de la maquinaria, ANSI B11.0. Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI). 2020. [ 12 ]
  • Requisitos de desempeño para medidas de reducción de riesgos: salvaguarda y otros medios para reducir el riesgo, ANSI B11.19. Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI). 2019.
  • Requisitos de seguridad para la integración de maquinaria en un sistema, ANSI B11.20. Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI). 2017.
  • Requisitos de seguridad para máquinas de transferencia, ANSI B11.24. Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI). 2002 (R2020).
  • Seguridad funcional para equipos (sistemas de control de potencia eléctrica/fluídica). Principios generales para el diseño de sistemas de control de seguridad según ISO 13849-1 y ANSI B11.26. Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI). 2018.
  • Directrices para la medición del nivel sonoro, ANSI B11.TR5. Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI). 2006 (R2017).

Materiales para moldes

Para fabricar un molde de fundición en arena, existen cuatro componentes principales: arena base , un aglutinante , aditivos y un compuesto desmoldante .

Arenas de moldeo

Las arenas de moldeo , también conocidas como arenas de fundición , se definen por ocho características: refractariedad, inercia química, permeabilidad, acabado superficial, cohesión, fluidez, colapsabilidad y disponibilidad/costo. [ 13 ]

Refractariedad : Se refiere a la capacidad de la arena para soportar la temperatura del metal líquido que se está fundiendo sin descomponerse. Por ejemplo, algunas arenas solo necesitan soportar 650 °C (1202 °F) si se funden aleaciones de aluminio, mientras que el acero requiere una arena que soporte 1500 °C (2730 °F) . Una arena con una refractariedad demasiado baja se fundirá y se fusionará con la pieza fundida. [ 13 ]    

Inercia química : La arena no debe reaccionar con el metal que se está fundiendo. Esto es especialmente importante con metales altamente reactivos, como el magnesio y el titanio . [ 13 ]

Permeabilidad : Se refiere a la capacidad de la arena para expulsar gases. Esto es importante porque durante el proceso de vertido se producen muchos gases, como hidrógeno , nitrógeno , dióxido de carbono y vapor , que deben salir del molde; de ​​lo contrario , se producen defectos de fundición , como poros y burbujas de gas. Por cada centímetro cúbico de agua añadido al molde, se producen 1600 cc de vapor. [ 13 ]

Acabado superficial : El tamaño y la forma de las partículas de arena determinan el mejor acabado superficial posible; las partículas más finas producen un mejor acabado. Sin embargo, a medida que las partículas se vuelven más finas (y mejora el acabado superficial), la permeabilidad empeora. [ 13 ]

Cohesión (o unión ): es la capacidad de la arena para mantener una forma determinada después de que se elimina el patrón. [ 14 ]

Fluidez : Capacidad de la arena para fluir hacia detalles intrincados y esquinas estrechas sin procesos ni equipos especiales. [ 15 ]

Colapsabilidad : Es la capacidad de la arena para desprenderse fácilmente de la pieza fundida una vez solidificada. Las arenas con baja colapsabilidad se adhieren fuertemente a la pieza. Al fundir metales que se contraen significativamente durante el enfriamiento o con amplios rangos de temperatura de congelación, una arena con baja colapsabilidad provocará grietas y fisuras en caliente en la pieza fundida. Se pueden utilizar aditivos especiales para mejorar la colapsabilidad. [ 15 ]

Disponibilidad/costo : La disponibilidad y el costo de la arena son muy importantes porque por cada tonelada de metal vertido, se requieren de tres a seis toneladas de arena. [ 15 ] Aunque la arena se puede cribar y reutilizar, las partículas eventualmente se vuelven demasiado finas y requieren reemplazo periódico con arena nueva. [ 16 ]

En piezas fundidas de gran tamaño, resulta económico utilizar dos tipos de arena diferentes, ya que la mayor parte de la arena no estará en contacto con la pieza, por lo que no requiere propiedades especiales. La arena que sí está en contacto con la pieza se denomina arena de revestimiento y está diseñada específicamente para la pieza en cuestión. Esta arena se acumula alrededor del modelo hasta alcanzar un espesor de 30 a 100 mm (1,2 a 3,9 pulgadas) . La arena que rellena el espacio alrededor de la arena de revestimiento se denomina arena de respaldo . Esta arena es simplemente arena de sílice con una pequeña cantidad de aglutinante y sin aditivos especiales. [ 17 ]  

Tipos de arenas base

La arena base es el tipo que se utiliza para fabricar el molde o núcleo sin ningún aglutinante. Debido a que no tiene aglutinante, no se adhiere y no se puede utilizar en este estado. [ 15 ]

Arena de sílice
Arena de sílice en Panavally

La arena de sílice (SiO₂ ) es la que se encuentra en las playas y la más utilizada. Se obtiene triturando arenisca o se extrae de yacimientos naturales, como playas y lechos de ríos. El punto de fusión de la sílice pura es de 1760 °C (3200 °F) ; sin embargo, las arenas utilizadas tienen un punto de fusión inferior debido a las impurezas. Para la fundición de metales con alto punto de fusión, como los aceros, se debe utilizar arena de sílice con una pureza mínima del 98 %; no obstante, para metales con puntos de fusión más bajos, como el hierro fundido y los metales no ferrosos , se puede utilizar arena de menor pureza (entre el 94 % y el 98 %). [ 15 ]  

La arena de sílice es la más utilizada debido a su gran abundancia y bajo costo. Sus desventajas son su alta expansión térmica , que puede causar defectos de fundición con metales de alto punto de fusión, y su baja conductividad térmica , que puede provocar una fundición deficiente. Tampoco se puede utilizar con ciertos metales, ya que reacciona químicamente con ellos, formando defectos superficiales. Finalmente, libera partículas de sílice durante el vertido, lo que conlleva riesgo de silicosis para los trabajadores de la fundición. [ 18 ]

arena de olivino

La olivina es una mezcla de ortosilicatos de hierro y magnesio provenientes del mineral dunita . Su principal ventaja es que está libre de sílice, por lo que puede utilizarse con metales básicos, como los aceros al manganeso. Otras ventajas incluyen una baja expansión térmica, alta conductividad térmica y alto punto de fusión. [ 18 ]

arena de cromita

La arena de cromita es una solución sólida de espinelas . Sus ventajas son un bajo porcentaje de sílice, un punto de fusión muy alto ( 1850 °C (3360 °F) ) y una conductividad térmica muy alta. Su desventaja es su costo, por lo que solo se utiliza con fundición de acero aleado costoso y para fabricar machos. [ 18 ]  

arena de circonio

La arena de zirconio es un compuesto de aproximadamente dos tercios de óxido de zirconio (ZrO₂ ) y un tercio de sílice. Posee el punto de fusión más alto de todas las arenas base, a 2600 °C (4710 °F) , una dilatación térmica muy baja y una alta conductividad térmica. Debido a estas propiedades, se utiliza comúnmente en la fundición de aceros aleados y otras aleaciones costosas. También se emplea como recubrimiento para moldes (un revestimiento aplicado a la cavidad del molde) para mejorar el acabado superficial. Sin embargo, es costosa y no está fácilmente disponible. [ 18 ]  

arena de chamota

La chamota se obtiene calcinando arcilla refractaria (Al₂O₃ - SiO₂ ) a más de 1100 °C (2010 °F) . Su punto de fusión es de 1750 °C (3180 °F) y tiene una baja dilatación térmica. Es la segunda arena más barata, aunque sigue siendo el doble de cara que la sílice. Sus desventajas son sus granos muy gruesos, que dan como resultado un acabado superficial deficiente, y su uso se limita al moldeo en arena seca . Se utilizan lavados de moldes para solucionar los problemas de acabado superficial. Esta arena se suele utilizar en la fundición de grandes piezas de acero. [ 18 ] [ 19 ]    

Carpetas

Se añaden aglutinantes a la arena base para unir las partículas de arena (es decir, es el pegamento que mantiene unido el molde).

Arcilla y agua

Una mezcla de arcilla y agua es el aglutinante más utilizado. Existen dos tipos de arcilla comúnmente empleados: bentonita y caolinita , siendo la primera la más común. [ 20 ]

Aceite

Los aceites, como el de linaza , otros aceites vegetales y aceites marinos , se utilizaban como aglutinantes; sin embargo, debido a su creciente costo, su uso se ha ido eliminando en gran medida. El aceite también requería un horneado cuidadoso a 100-200 °C (212-392 °F) para su curado (si se sobrecalentaba, el aceite se volvía quebradizo, dañando el molde). [ 21 ]  

Resina

Los aglutinantes de resina son gomas naturales o sintéticas de alto punto de fusión . Los dos tipos más comunes son las resinas de urea-formaldehído (UF) y de fenol-formaldehído (PF). Las resinas PF tienen mayor resistencia al calor que las resinas UF y son más económicas. También existen resinas de fraguado en frío, que utilizan un catalizador en lugar de calor para curar el aglutinante. Los aglutinantes de resina son muy populares porque se pueden lograr diferentes propiedades mezclándolos con diversos aditivos. Otras ventajas incluyen buena colapsabilidad, baja emisión de gases y un buen acabado superficial en la pieza fundida. [ 21 ]

El MDI (diisocianato de difenilmetano) es también una resina aglutinante de uso común en el proceso de fabricación de machos de fundición.

silicato de sodio

El silicato de sodio ( Silicato sódico [Na₂SiO₃ o (Na₂O ) (SiO₂ ) ]) es un aglutinante de alta resistencia que se utiliza con arena de moldeo de sílice tanto para machos como para moldes. [ 22 ] : 69–70 Para curar una mezcla de arena finamente molida (por ejemplo, usando un molino de arena) y de 3 a 4% de silicato de sodio, el aglutinante, se utiliza dióxido de carbono (CO₂ ) . [ 22 ] : 69–70 La mezcla se expone al gas a temperatura ambiente reaccionando de la siguiente manera: [ 22 ] : 69–70

N / A2O(SiO2)+CO2↽−−⇀N / A2CO3+2SiO2+Calor{\displaystyle {\ce {{Na2O(SiO2)}+ CO2 <=> {Na2CO3}+ {2SiO2}+ Heat}}}

La ventaja de este aglutinante es que puede utilizarse a temperatura ambiente y es rápido. La desventaja es que su alta resistencia provoca dificultades de desmoldeo y posiblemente fisuras en caliente (probablemente debido a la inversión del cuarzo ) en la fundición. [ 21 ] [ 22 ] : 70 La mezcla de silicato de sodio y arena también puede calentarse con una pistola de calor para lograr una mayor rigidez.

Aditivos

Se añaden aditivos a los componentes del molde para mejorar: el acabado superficial, la resistencia en seco, la refractariedad y las "propiedades de amortiguación".

Se puede añadir hasta un 5 % de agentes reductores , como polvo de carbón, brea , creosota y fueloil , al material de moldeo para evitar la humectación (impedir que el metal líquido se adhiera a las partículas de arena, dejándolas así en la superficie de la pieza fundida), mejorar el acabado superficial, disminuir la penetración del metal y los defectos de quemado . Estos aditivos logran esto creando gases en la superficie de la cavidad del molde, lo que impide que el metal líquido se adhiera a la arena. Los agentes reductores no se utilizan en la fundición de acero, ya que pueden carburizar el metal durante el proceso. [ 23 ]

Se puede añadir hasta un 3 % de «material amortiguador», como harina de madera, serrín , cáscaras en polvo , turba y paja , para reducir los defectos de fundición por descamación , desgarro en caliente y agrietamiento en caliente al fundir metales a alta temperatura. Estos materiales son beneficiosos porque su combustión durante el vertido del metal crea pequeños huecos en el molde, lo que permite que las partículas de arena se expandan. También aumentan la colapsabilidad y reducen el tiempo de desmoldeo. [ 23 ]

Se puede utilizar hasta un 2 % de aglutinantes de cereales , como dextrina , almidón , lejía de sulfito y melaza , para aumentar la resistencia en seco (la resistencia del molde después del curado) y mejorar el acabado superficial. Los aglutinantes de cereales también mejoran la colapsabilidad y reducen el tiempo de desmoldeo, ya que se queman al verter el metal. La desventaja de los aglutinantes de cereales es su elevado coste. [ 23 ]

Se puede utilizar hasta un 2 % de polvo de óxido de hierro para prevenir el agrietamiento del molde y la penetración del metal, mejorando así la refractariedad. La harina de sílice (sílice fina) y la harina de circonio también mejoran la refractariedad, especialmente en piezas fundidas ferrosas. La desventaja de estos aditivos es que reducen considerablemente la permeabilidad. [ 23 ]

compuestos de separación

Para extraer el modelo del molde, antes de la fundición, se aplica un compuesto desmoldante para facilitar su extracción. Estos compuestos pueden ser líquidos o polvos finos (con diámetros de partícula entre 75 y 150 micrómetros (0,0030 y 0,0059 pulgadas) ). Entre los polvos más comunes se encuentran el talco , el grafito y la sílice seca; entre los líquidos, el aceite mineral y las soluciones de silicona a base de agua. Estas últimas se utilizan con mayor frecuencia en modelos metálicos y de madera de gran tamaño. [ 24 ] 

Historia

En la antigua China, los moldes de arcilla se utilizaban desde la dinastía Shang ( aproximadamente entre el 1600 y el 1046 a. C.). El famoso Houmuwu ding (aproximadamente el 1300 a. C.) se elaboró ​​mediante moldeo con arcilla.

El rey asirio Senaquerib (704-681 a. C.) fundió enormes bronces de hasta 30 toneladas y afirma haber sido el primero en utilizar moldes de arcilla en lugar del método de "cera perdida": [ 25 ]

Mientras que en tiempos pasados ​​los reyes mis antepasados ​​habían creado estatuas de bronce imitando formas de la vida real para exhibirlas dentro de sus templos, pero en su método de trabajo habían agotado a todos los artesanos, por falta de habilidad y falta de comprensión de los principios necesitaban tanto aceite, cera y sebo para el trabajo que causaron escasez en sus propios países—yo, Senaquerib, líder de todos los príncipes, conocedor de todo tipo de trabajo, tomé muchos consejos y reflexioné profundamente sobre cómo realizar ese trabajo. Grandes pilares de bronce, leones colosales en zancada, como ningún rey anterior había construido antes que yo, con la habilidad técnica que Ninushki perfeccionó en mí, y a la instigación de mi inteligencia y el deseo de mi corazón inventé una técnica para el bronce y la hice hábilmente. Creé moldes de arcilla como por inteligencia divina... doce feroces leones-colosos junto con doce poderosos toros-colosos que eran fundiciones perfectas... vertí cobre en ellos una y otra vez; Realicé las fundiciones con la misma destreza como si cada pieza pesara tan solo medio siclo.

En 1206, Ismail al-Jazari describió por primera vez la fundición de metales en cajas de molde cerradas con arena . [ 26 ] [ 27 ]

Alrededor de 1540, Vannoccio Biringuccio documentó el método de moldeo por colada en arena en su libro. [ 28 ]

Entre 1702 y 1707, Abraham Darby I , junto con John Thomas, mejoró la técnica, utilizando una combinación de arena verde y una caja de fundición para producir en masa utensilios de cocina de paredes delgadas, obteniendo una patente por dicha mejora. [ 29 ]

En 1924, la Ford Motor Company estableció un récord al producir un millón de automóviles, consumiendo en el proceso un tercio de la producción total de piezas fundidas en los Estados Unidos. Con el crecimiento de la industria automotriz, también creció la necesidad de una mayor eficiencia en la fundición. La creciente demanda de piezas fundidas en la pujante industria de la construcción de automóviles y maquinaria durante y después de la Primera y la Segunda Guerra Mundial, impulsó nuevos inventos en la mecanización y, posteriormente, en la automatización de la tecnología del proceso de fundición en arena.

No había un solo cuello de botella para una producción de fundición más rápida, sino varios. Se hicieron mejoras en la velocidad de moldeo, la preparación de la arena de moldeo, la mezcla de arena , los procesos de fabricación de núcleos y la lenta velocidad de fusión del metal en los hornos de cubilote . En 1912, la empresa estadounidense Beardsley & Piper inventó el lanzador de arena . En 1912, la empresa Simpson comercializó el primer mezclador de arena con arados giratorios montados individualmente. En 1915, comenzaron los primeros experimentos con arcilla bentonita en lugar de arcilla refractaria simple como aditivo aglutinante para la arena de moldeo. Esto aumentó enormemente la resistencia verde y seca de los moldes. En 1918, la primera fundición totalmente automatizada para fabricar granadas de mano para el Ejército de los EE. UU. entró en producción. En la década de 1930 se instaló en los EE. UU. el primer horno eléctrico sin núcleo de alta frecuencia. En 1943, se inventó el hierro dúctil añadiendo magnesio al hierro gris ampliamente utilizado . En 1940, se aplicó la recuperación térmica de arena para moldes y arenas de machos. En 1952, se desarrolló el "proceso D" para fabricar moldes de cáscara con arena fina pre-revestida. En 1953, se inventó el proceso de arena de machos de caja caliente en el que los machos se curan térmicamente. En 1954, apareció un nuevo aglutinante de machos : vidrio soluble (silicato de sodio), endurecido con CO₂ del aire ambiente.

En la década de 2010, la fabricación aditiva comenzó a aplicarse a la preparación de moldes de arena en la producción comercial ; en lugar de que el molde de arena se forme compactando arena alrededor de un patrón, se imprime en 3D.

Véase también

  1. ↑ «Riser» (Reino Unido) es un término para un canal ascendente, en el que el metal fundido asciende desde la pieza fundida. En la práctica estadounidense, «riser» es otro término para un alimentador a la parte superior de una pieza fundida. [ 2 ]

Referencias

Notas

  1. ↑ Rao 2003 , pág. 15 . 
  2. ↑ Campbell, John (1993). Fundiciones . Butterworth-Heinemann . pág.  49. ISBN 0-7506-1696-2.
  3. 1 2 Donaldson, Brent (2017-11-01), "Foundry dice que la impresión robótica de arena es un "cambio de juego" para la fundición de metales" , Additive Manufacturing , recuperado el 2017-11-14 .
  4. ↑ Mayam Saraei; Habibbolah Masoudi; Omid Aminian; Nazanin Izadi (2018). "Salud respiratoria y cambios entre turnos de trabajadores de fundición en Irán" . Tanaffos Journal of Respiratory Diseases, Thoracic Surgery, Intensive Care and Tuberculosis . 17 (4): 285– 290. PMC 6534795. PMID 31143220 .  
  5. ↑ "Uso y prácticas de respiradores en operaciones de metalurgia primaria" . Foundry Management and Technology . Consultado el 5 de abril de 2021 .
  6. ↑ Descripción del proceso de fundición en arena
  7. ^ Todd , Allen y Alting 1994 , págs . 
  8. ↑ Técnicas de fundición de metales - Moldeo por proceso de vacío ("V") , archivado del original el 30-01-2009 , recuperado el 09-11-2009 .
  9. 1 2 Degarmo, Black y Kohser 2003 , pág. 310 . 
  10. 1 2 El proceso V (PDF) , archivado del original (PDF) el 1 de marzo de 2012 , recuperado el 9 de noviembre de 2009 .
  11. ↑ Degarmo, Black y Kohser 2003 , pág. 311 . 
  12. ↑ "Estándares B11" . Archivado del original el 11 de julio de 2020. Consultado el 10 de julio de 2020 .
  13. 1 2 3 4 5 Rao 2003 , pág. 18 . 
  14. ↑ Degarmo, Black y Kohser 2003 , pág. 300 . 
  15. 1 2 3 4 5 Rao 2003 , pág. 19 . 
  16. ↑ "Reutilización beneficiosa de la arena de fundición usada" (PDF) . 1996.
  17. ↑ Rao 2003 , pág. 22 . 
  18. 1 2 3 4 5 Rao 2003 , pág. 20 . 
  19. ↑ Rao 2003 , pág. 21 . 
  20. ↑ Rao 2003 , pág. 23 . 
  21. 1 2 3 Rao 2003 , pág. 24 . 
  22. 1 2 3 4 Asthana, R. (2006). Ciencia del procesamiento y la fabricación de materiales . A. Kumar, Narendra B. Dahotre. Ámsterdam: Boston. ISBN 978-0-08-046488-6OCLC 85814321​​ 
  23. 1 2 3 4 Rao 2003 , pág. 25 . 
  24. ↑ Rao 2003 , pág. 26 . 
  25. ↑ Stephanie Dalley , El misterio del jardín colgante de Babilonia: una maravilla del mundo esquiva descubierta , Oxford University Press (2013). ISBN 978-0-19-966226-5Traducción del autor, reproducida con autorización de Oxford University Press.
  26. ↑ Donald Hill , "Ingeniería mecánica en el Cercano Oriente medieval", Scientific American , mayo de 1991, págs. 64-9 ( cf. Donald Hill , Ingeniería mecánica, archivado el 25 de diciembre de 2007 en Wayback Machine )
  27. ^ Colina, Donald Routledge (1974). El Libro del conocimiento de ingeniosos dispositivos mecánicos (Kitab fi Ma'rifat al-Hiyal al-Handasiyya) de ibn al-Razzaz al-Jazari . D. Editorial Reidel. págs. xiii. 
  28. ↑ Fundición, Dawang (2024-07-03). "¿Qué es la fundición en arena verde? Su proceso y ventajas" . Dawang Metals . Consultado el 2025-12-21 .
  29. ↑ Williams, Eichard (2015). "Una cuestión de gris o blanco: por qué Abraham Darby I eligió fundir hierro con coque" . Metalurgia histórica . 57 (2): 125–127 .

Bibliografía

  • Degarmo, E. Paul; Black, J. T.; Kohser, Ronald A. (2003), Materiales y procesos en la fabricación (9.ª  ed.), Wiley, ISBN 0-471-65653-4.
  • Todd, Robert H.; Allen, Dell K.; Alting, Leo (1994), Guía de referencia de procesos de fabricación , Industrial Press Inc., ISBN 0-8311-3049-0.
  • Rao, TV (2003), Fundición de metales: Principios y práctica , New Age International, ISBN 978-81-224-0843-0.
  • Moldeo en arena en Hopewell Furnace (técnicas de los siglos XVIII y XIX) - Servicio de Parques Nacionales de EE. UU. (vídeo de YouTube)
  • Diferentes tipos de procesos de fundición de metales