Proceso de Colada y Manejo del Metal Fundido

1) Uso de la Cuchara en Fundición: Tipos, Calentamiento y Modificaciones del Metal

La cuchara se emplea para transferir el metal fundido de un lugar a otro, generalmente desde un horno de fundición hasta la zona de vertido.

Tipos de Cucharas:

  • Cucharas sencillas: Con un solo mango.
  • Cucharas de horquilla: Transportadas por dos operarios en un soporte con doble brazo.
  • Cucharas de mayores dimensiones: Transportadas por grúas.

Razones para Calentar la Cuchara:

Se debe calentar antes de recibir el metal fundido para evitar el choque térmico y el deterioro del material refractario que la recubre.

Modificaciones del Metal en la Cuchara:

En la cuchara, el metal puede experimentar las siguientes modificaciones:

  • Ajuste final de la composición.
  • Desoxidación.
  • Separación de impurezas.
  • Eliminación de gases disueltos y escorias.

2) Control Riguroso de la Temperatura de Colada y Efectos del Sobrecalentamiento

Es crucial controlar rigurosamente la temperatura de colada del metal en el molde debido a los siguientes efectos:

  • Si el metal está demasiado caliente: Puede filtrarse por algún hueco o entre los granos de arena del molde, comprometiendo la integridad de la pieza.
  • Si el metal está demasiado frío: No tendrá suficiente colabilidad, lo que impedirá que llene completamente el molde. Además, puede enfriarse a diferentes temperaturas y solidificarse prematuramente antes de alcanzar todas las cavidades.

Efectos del Sobrecalentamiento:

El sobrecalentamiento del metal incrementa su fluidez y facilita el llenado del molde. Sin embargo, puede comprometer sus características mecánicas finales, resultando en propiedades inferiores en la pieza fundida.

3) Proceso de Colada del Metal en el Molde y Precauciones Esenciales

El metal se vierte desde la cuchara a la taza o cono de colada del molde.

Precauciones a Tomar:

  • El molde debe llenarse con un chorro continuo para evitar turbulencias excesivas, que podrían provocar la formación de óxidos en la superficie del metal.
  • Para lograr esto, el pico de la cuchara debe estar lo más cerca posible de la cavidad de vertido.
  • El llenado debe ser ininterrumpido hasta que el metal aparezca por los respiraderos o mazarotas, indicando que el molde está completamente lleno.
  • Durante la colada, se desprenden gases del molde. Al ser potencialmente tóxicos, estos gases a menudo se queman (se les prende fuego) para evitar la contaminación de la atmósfera del taller y garantizar la seguridad de los operarios.

4) Determinación de la Cantidad de Metal Necesario y Definición del Rendimiento de Fundición

Cantidad de Metal Necesario:

La cantidad de metal necesaria para la colada de una pieza se determina considerando:

  • La masa de la pieza final (Mp).
  • La masa de los conductos de distribución y mazarotas (Md).
  • Un margen de seguridad (Ms), que se estima entre un 5% y un 10% de la suma de Mp y Md.

La masa total de metal (Mt) requerida se calcula mediante la fórmula:

Mt = Mp + Md + Ms

Rendimiento de Fundición:

El rendimiento de fundición (ρ) se define como la relación entre la masa de metal necesaria para obtener la pieza propiamente dicha (Mp) y la masa total de metal vertido (Mt). Se expresa como:

ρ = Mp / Mt

O, sustituyendo Mt:

ρ = Mp / (Mp + Md + Ms)

Un rendimiento de fundición en torno al 70% se considera generalmente aceptable en la industria.

5) Efectos y Cálculo de la Presión Metalostática en Moldes y Machos

Efectos de la Presión Metalostática:

Mientras el metal permanece en estado líquido dentro del molde, ejerce presiones sobre sus paredes y sobre los machos que se encuentran parcialmente sumergidos. Los efectos principales son:

  • La resultante horizontal de las presiones se anula.
  • La resultante vertical tiende a levantar el molde.
  • Puede aparecer un empuje hacia arriba sobre los machos, derivado del principio de Arquímedes.
  • Puede provocar esfuerzos de cizalladura en ciertas zonas del molde o los machos.

Cálculo de la Presión Metalostática:

El valor de la presión metalostática (P) es función de la densidad del líquido (ρ), la altura de la columna de líquido (h) y la gravedad (g). Se calcula mediante la fórmula:

P = ρ ⋅ g ⋅ h

Ejemplos:

  • En un macho en voladizo, la presión metalostática puede generar una compresión contra la pared del molde en un lado y una tendencia a abrirse en el otro, lo que requiere un diseño robusto del macho y del molde.

6) Ecuación de Enfriamiento, Reserva Calorífica y sus Dependencias

Ecuación de Enfriamiento:

No existe una única ecuación universal de enfriamiento del metal en el molde, ya que el proceso es complejo y depende de múltiples factores de transferencia de calor. Sin embargo, el enfriamiento se rige por los principios de la transferencia de calor por conducción, convección y radiación.

Reserva Calorífica:

La reserva calorífica se refiere a la cantidad de energía térmica por unidad de masa que posee el metal fundido en un momento dado.

Dependencia de la Reserva Calorífica:

La reserva calorífica depende principalmente de:

  • La temperatura del metal fundido.
  • El calor específico del metal (la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa en un grado).
  • La masa total del metal.

7) Factores que Influyen en la Absorción de Calor por el Molde

La absorción de calor por el molde es un factor crítico en el proceso de solidificación y depende de los siguientes factores:

  • Superficie de contacto: Cuanto mayor sea la superficie de contacto entre el metal y el molde, mayor será la transferencia de calor.
  • Forma de la pieza: Las geometrías complejas o con grandes variaciones de espesor pueden influir en la uniformidad de la absorción de calor.
  • Gradiente de temperatura: La diferencia de temperatura entre el metal fundido y el molde impulsa la transferencia de calor.
  • Conductividad térmica: Tanto la conductividad del metal como la del material del molde afectan la velocidad a la que el calor se disipa.
  • Densidad: La densidad de ambos materiales influye en su capacidad de almacenar y transferir calor.
  • Calor específico: El calor específico del metal y del molde determina la cantidad de energía que pueden absorber o liberar por unidad de masa y temperatura.

8) Definición de Colabilidad, Viscosidad, Densidad y su Interrelación

  • Colabilidad: Es la propiedad por la cual un fluido metálico fundido consigue llenar con mayor facilidad los huecos y detalles de un molde antes de solidificarse.
  • Viscosidad: Es la resistencia de un fluido a fluir, debido a la fricción interna entre sus moléculas. Una mayor viscosidad implica una menor facilidad de flujo.
  • Densidad: Es la relación entre la masa de una sustancia y el volumen que ocupa. Se expresa comúnmente en kg/m³ o g/cm³.

Relación entre ellas:

La relación entre estas propiedades es compleja y multifactorial:

  • La colabilidad está inversamente relacionada con la viscosidad: a menor viscosidad, mayor colabilidad.
  • La densidad del metal fundido influye en la presión metalostática, que a su vez afecta la capacidad de llenado del molde (colabilidad).
  • La temperatura afecta a todas: un aumento de temperatura generalmente disminuye la viscosidad y puede afectar ligeramente la densidad, mejorando la colabilidad.

Solidificación del Metal y Control de Defectos

10) Cristales Basálticos: Formación, Consecuencias y Prevención de Planos de Debilidad

¿Qué son los Cristales Basálticos?

Los cristales basálticos son un tipo de crecimiento dendrítico altamente direccional que se produce en metales puros y aleaciones durante la solidificación.

¿Cómo se Producen?

Se producen por una velocidad de enfriamiento rápida y unidireccional del metal fundido.

¿Es Conveniente su Presencia en las Piezas? ¿Por qué?

No, su presencia no es conveniente en las piezas fundidas. Esto se debe a que originan planos de debilidad en la estructura del material.

¿Cómo se Originan los Planos de Debilidad?

Los planos de debilidad se originan cuando las diferentes columnas de crecimiento basáltico se encuentran, formando límites de grano débiles y orientados que pueden fracturarse fácilmente bajo tensión.

¿Cómo se Evitan?

Se evitan diseñando piezas sin aristas vivas y controlando la velocidad de enfriamiento para promover un crecimiento de grano más equiaxial y uniforme, en lugar de un crecimiento columnar direccional.

11) Periodos Característicos de la Solidificación y Fenómenos Asociados

La solidificación de un metal o aleación en un molde se puede dividir en tres periodos característicos:

  1. Periodo inicial (fase líquida continua): Los cristales formados son todavía pequeños y pueden moverse libremente en el seno de la fase líquida. Por lo tanto, la fase líquida es continua, mientras que la sólida es discontinua, y ambas pueden separarse.
  2. Periodo intermedio (fases continua y discontinua): Los cristales se han desarrollado lo suficiente como para establecer contacto entre ellos y se inmovilizan, pero aún quedan espacios por los cuales puede circular el líquido. En esta fase, ambas fases (sólida y líquida) pueden considerarse continuas en diferentes grados.
  3. Periodo final (fase sólida continua): Los cristales han adquirido un desarrollo tal que forman tabiques e impiden el libre desplazamiento del líquido. En consecuencia, la fase sólida es continua, y la fase líquida, discontinua, quedando atrapada en pequeños intersticios. En esta última fase, es común que aparezcan micro-rechupes debido a la contracción del líquido residual.

12) Dependencia y Cálculo de la Velocidad de Solidificación

Dependencia de la Velocidad de Solidificación:

La velocidad de solidificación depende directamente de la velocidad de enfriamiento, es decir, de la facilidad con que el molde es capaz de absorber el calor de la aleación contenida en su cavidad. Factores como la conductividad térmica del molde, el espesor de la pared del molde y la temperatura inicial del molde influyen en esta velocidad.

Cálculo de la Velocidad de Solidificación:

Cuando el metal solidifica por capas, el espesor de la capa solidificada (x) en función del tiempo (t) se puede calcular aproximadamente mediante la Ley de Chvorinov simplificada para el espesor de capa:

x = k√t

Donde ‘k’ es una constante de solidificación que depende de las propiedades del metal y del molde.

13) Relación entre el Tiempo de Solidificación y el Módulo de Enfriamiento

Existe una relación directa y fundamental entre el tiempo de solidificación (t) y el módulo de enfriamiento (M) de una pieza, conocida como la Ley de Chvorinov. Esta ley establece que el tiempo de solidificación total de una pieza fundida es proporcional al cuadrado de su módulo de enfriamiento:

t = C ⋅ M²

Donde:

  • t: Tiempo de solidificación.
  • C: Constante del molde, que depende de las propiedades térmicas del metal y del material del molde.
  • M: Módulo de enfriamiento, definido como la relación entre el volumen (V) y la superficie (S) de la pieza o sección que solidifica: M = V/S.

Esta relación es crucial para el diseño de mazarotas y enfriadores, ya que permite predecir el tiempo de solidificación de diferentes secciones de una pieza.

14) Variación del Volumen de una Aleación con la Temperatura y Efectos de la Contracción

Variación del Volumen:

Al descender la temperatura, el volumen de una aleación generalmente disminuye. Esta contracción ocurre en tres etapas:

  1. Contracción del líquido: El metal se contrae a medida que se enfría en estado líquido antes de solidificar.
  2. Contracción de solidificación: El metal se contrae significativamente al pasar de estado líquido a sólido.
  3. Contracción del sólido: El metal se contrae a medida que se enfría en estado sólido desde la temperatura de solidificación hasta la temperatura ambiente.

Curvas de Contracción-Temperatura:

Las curvas de contracción-temperatura muestran gráficamente cómo el volumen de una aleación disminuye a medida que la temperatura desciende, con caídas abruptas en los puntos de cambio de fase (solidificación).

Efectos de la Contracción:

La contracción del metal durante el enfriamiento y la solidificación puede producir varios efectos indeseables, siendo los más comunes:

  • Rechupes: Cavidades macroscópicas en la pieza.
  • Micro-rechupes: Pequeñas cavidades distribuidas en la microestructura.
  • Tensiones internas y deformaciones: Que pueden llevar a la formación de grietas o distorsiones en la pieza final.

15) El Rechupado: Definición, Mecanismo de Formación y Prevención

¿Qué es el Rechupado?

El rechupado es un hueco o cavidad, a menudo en forma de cono, que se forma en la zona de la pieza que solidifica en último lugar. Es el resultado directo de la contracción volumétrica del material durante su enfriamiento y solidificación, cuando no hay suficiente metal líquido para compensar esta reducción de volumen.

Mecanismo de su Formación:

A medida que el metal se enfría y solidifica, su volumen disminuye. La solidificación avanza desde las paredes del molde hacia el centro de la pieza. Si no se suministra metal líquido adicional para compensar la contracción, se forma un vacío en la última zona en solidificar, creando el rechupado.

¿Cómo se Evita?

El rechupado se evita principalmente mediante la colocación estratégica de mazarotas. Las mazarotas son reservorios de metal líquido que solidifican después de la pieza, suministrando metal adicional para compensar la contracción y asegurar que la cavidad de rechupado se forme dentro de la mazarota y no en la pieza.

¿Cuándo se Originan los Micro-rechupados?

Los micro-rechupados se originan en las etapas finales de la solidificación, especialmente en áreas con flujo de líquido restringido o en aleaciones con un amplio rango de solidificación. Se forman cuando la alimentación de metal líquido a nivel microscópico es insuficiente para compensar la contracción en los espacios interdentales o intergranulares.

16) Misión y Colocación de las Mazarotas en las Piezas Fundidas

Misión de las Mazarotas:

La misión principal de las mazarotas es evitar la aparición de rechupes (cavidades de contracción) en la pieza fundida. Actúan como reservorios de metal líquido que alimentan la pieza a medida que esta se contrae durante la solidificación.

¿Se Pueden Colocar Arbitrariamente en las Piezas? ¿Por qué?

No, las mazarotas no se pueden colocar arbitrariamente en las piezas. Su ubicación es crítica y debe ser cuidadosamente planificada. Si se colocan incorrectamente, no cumplirán eficazmente su misión. Deben situarse lo más cerca posible de los puntos calientes de la pieza, es decir, las zonas que solidifican más tarde, para asegurar una alimentación continua de metal líquido hasta que la pieza esté completamente solidificada.

17) Principios del Cálculo del Volumen de las Mazarotas

El cálculo del volumen de las mazarotas se basa principalmente en dos criterios fundamentales:

  1. Criterio de Contracción (o Volumétrico): La mazarota debe tener un volumen mínimo suficiente para aportar la cantidad de metal líquido necesaria para compensar la contracción volumétrica de la pieza durante la solidificación. Esto asegura que la pieza no desarrolle rechupes internos.
  2. Criterio del Módulo (o de Solidificación Dirigida): Este criterio establece que la mazarota debe tener un módulo de enfriamiento (V/S) mayor que el de la pieza o de la sección de la pieza que debe alimentar. Esto garantiza que la mazarota solidifique en último lugar, manteniendo un reservorio de metal líquido disponible para alimentar la pieza durante todo su proceso de solidificación.

18) Forma Ideal de Mazarota, Realizabilidad y Formas Adoptadas

Forma Ideal de Mazarota:

La forma ideal de una mazarota, desde el punto de vista de la eficiencia térmica y la solidificación dirigida, es la esférica. Una esfera tiene la menor relación superficie/volumen (módulo de enfriamiento máximo) para un volumen dado, lo que significa que retiene el calor por más tiempo y solidifica más lentamente.

¿Es Realizable en la Práctica?

Generalmente, la forma esférica es muy complicada de realizar en la práctica de la fundición debido a las dificultades de moldeo y desmoldeo, así como a la necesidad de soportes complejos.

¿Qué Formas se Adoptan en su Lugar?

En su lugar, se adoptan formas más prácticas que se aproximan a la eficiencia de la esfera, como las formas cilíndricas (verticales u horizontales) o troncocónicas. Estas formas son más fáciles de moldear y retirar.

¿Cómo se Determinan sus Dimensiones?

Las dimensiones de las mazarotas se determinan aplicando los principios del cálculo del volumen (criterio de contracción) y el módulo de enfriamiento (criterio del módulo). Se busca que el volumen de la mazarota sea suficiente para compensar la contracción de la pieza y que su módulo de enfriamiento sea mayor que el de la sección de la pieza a alimentar, asegurando que solidifique después de la pieza.

19) Métodos para Retrasar la Solidificación del Metal en la Mazarota

Para asegurar que la mazarota permanezca líquida el tiempo suficiente para alimentar la pieza, se utilizan diversas técnicas para retrasar la solidificación del metal en su interior:

  • Manguitos aislantes: Se colocan alrededor de la mazarota para reducir la pérdida de calor hacia el molde.
  • Materiales aislantes: El uso de materiales de moldeo con baja conductividad térmica en la zona de la mazarota.
  • Agentes exotérmicos: Materiales que, al reaccionar, liberan calor adicional, manteniendo el metal de la mazarota en estado líquido por más tiempo.
  • Manguitos de material exotérmico: Combinan el aislamiento con la generación de calor.

20) Efectos de la Presión Atmosférica en Mazarotas: Ciega y Atmosférica

Efectos de la Presión Atmosférica en las Mazarotas:

La presión atmosférica juega un papel crucial en las mazarotas que tienen contacto con el exterior. Permite que el líquido de la mazarota fluya hacia las piezas con mayor facilidad, ya que la presión atmosférica empuja el metal líquido hacia las cavidades que se están contrayendo, evitando la formación de un vacío sobre el metal.

¿Qué son Mazarotas Ciegas?

Las mazarotas ciegas son aquellas que no tienen abertura directa hacia el exterior del molde. La mengua de volumen del metal en su interior puede generar un vacío o presión negativa, lo que dificulta el flujo del líquido hacia la pieza y puede activar un rechupe interno si no se gestiona adecuadamente.

¿Y Atmosféricas?

Las mazarotas atmosféricas (o abiertas) son aquellas que tienen contacto directo con la atmósfera exterior del molde. Esto permite que la presión atmosférica actúe sobre la superficie del metal líquido en la mazarota, facilitando la alimentación continua de la pieza a medida que esta se contrae.

21) Zona de Acción de una Mazarota y Solidificación Dirigida

Zona de Acción de una Mazarota:

La zona de acción de una mazarota es la porción de la pieza fundida que la mazarota es capaz de alimentar eficazmente con metal líquido para compensar la contracción durante la solidificación. Esta zona está limitada por la distancia y la geometría de la pieza, ya que el metal líquido solo puede fluir hasta cierta distancia antes de solidificarse.

¿Cómo se Consigue la Solidificación Dirigida?

La solidificación dirigida es una técnica fundamental en fundición que busca controlar la dirección en que avanza el frente de solidificación dentro del molde. El objetivo es que la solidificación progrese de manera secuencial desde las secciones más delgadas y frías de la pieza hacia las secciones más gruesas y calientes (donde se encuentran las mazarotas). Se consigue mediante:

  • Colocación de enfriadores (chills): Elementos metálicos insertados en el molde para acelerar el enfriamiento en zonas específicas.
  • Colocación de elementos aislantes: Materiales con baja conductividad térmica para ralentizar el enfriamiento en otras zonas, como alrededor de las mazarotas.
  • Uso de material exotérmico: Para generar calor adicional y mantener ciertas zonas líquidas por más tiempo.
  • Diseño adecuado de la pieza y el sistema de alimentación: Para asegurar gradientes térmicos favorables.

22) Misión, Clases y Materiales de los Enfriadores en los Moldes

Misión de los Enfriadores:

La misión principal de los enfriadores (o chills) en los moldes es acelerar el enfriamiento y la solidificación en zonas específicas de la pieza fundida. Esto se hace para:

  • Promover una solidificación dirigida.
  • Reducir el tamaño de grano en áreas críticas.
  • Evitar la formación de rechupes o micro-rechupes en secciones gruesas o aisladas.

Clases de Enfriadores:

Existen dos clases principales de enfriadores:

  • Enfriadores internos: Se colocan dentro de la cavidad del molde y se convierten en parte de la pieza fundida.
  • Enfriadores externos: Se colocan en la superficie del molde, en contacto con el metal fundido, pero no forman parte de la pieza final.

Materiales de Construcción:

Los enfriadores se construyen generalmente de materiales con alta conductividad térmica para disipar el calor rápidamente. Los materiales comunes incluyen:

  • Hierro fundido o acero: Para enfriadores externos.
  • El mismo material que la pieza a fundir: Para enfriadores internos, para evitar problemas de fusión o diferencias de composición en la pieza final.