Fundición en arena: proceso, características y aplicaciones industriales

En este artículo discutiremos sobre el proceso y características de la fundición en arena.

Proceso de fundición en arena

La importancia de la fundición en arena aumenta día a día ya que la investigación científica ha traído muchas aplicaciones y adaptaciones en el campo de la industria de fundición. Este es probablemente el método más fácil y conveniente para dar la forma deseada al metal.

La arena es el material más comúnmente usado, porque puede empaquetarse fácilmente en cualquier forma, tiene alta permeabilidad y resistencia a altas temperaturas. Así, formas complejas pueden fundirse fácilmente usando moldes de arena, lo que podría no ser posible de otra manera. Para asegurar los beneficios óptimos de costo y calidad, los siguientes detalles de diseño deben darse la debida consideración.

La Fig. 3.41 muestra un diagrama de flujo del proceso de fundición en arena.

Sistemas de vaciado automatizados

Para lograr menores costos de material y mano de obra, mayor productividad, mejor calidad y mejores condiciones de trabajo, la tendencia es hacia la automatización completa de la fundición. Recientemente, se han hecho intentos para sistemas de vaciado por inducción automatizados.

Los sistemas de vaciado automatizados actúan como interfaz entre la fabricación de moldes y la fundición. Estos sistemas mantienen el metal fundido listo para vaciado y vierten el metal fundido en el molde exactamente como se requiere.

Los hornos de vaciado por inducción, usando tapón controlado para verter el metal fundido directamente en el molde o en cantidades dosificadas en cucharones intermedios de fundición, se usan para este propósito y poseen las siguientes características: Mantienen constante la temperatura y composición química del metal fundido durante la retención y vaciado; eliminan inclusiones de escoria del metal fundido vertido; añaden inoculantes y elementos de aleación en el momento justo y en cantidades exactamente medidas; ajustan la tasa de vaciado a la capacidad de admisión del molde; miden exactamente el peso del metal vertido.

Un horno de vaciado tal consiste en una carcasa cilíndrica con revestimiento refractario, tapa sellada a presión, inductor de canal con brida, tapón y sistema de control de presión. El llenado y vaciado es a través de ductos en forma de sifón, cuyos extremos inferiores están ubicados en la base del horno, para asegurar vaciado prácticamente libre de escoria.

Gas presurizado fuerza el metal fundido en la boquilla de vaciado del horno a través de un tapón. El gas presurizado también mantiene constante el nivel de metal fundido en la boquilla independientemente de la cantidad variable de metal en el horno. La tasa de vaciado de metal se controla por el movimiento del tapón.

Un servocilindro neumático ajusta continuamente el recorrido del tapón de acuerdo con el programa de vaciado.

Como las posiciones de vaciado no son siempre las mismas, el horno puede moverse en dos direcciones (longitudinal y transversal) relativo a la planta de moldeo. Un dispositivo de inclinación hidráulico permite vaciar completamente el horno.

El inductor angulado está bridad a la base del horno. La brida está refrigerada por agua. Debido a la tendencia del metal más caliente a subir, el área alrededor de la garganta está libre de formación de costra, haciéndola accesible para limpieza mecánica. El inductor mismo es fácilmente accesible desde fuera del horno. Debido a su altura total relativamente baja, el horno no tiene que colocarse en una fosa, sino que puede instalarse en el piso de la fundición.

Los sifones de llenado y vaciado también son fáciles de limpiar mecánicamente. Las partículas de óxido en suspensión producidas en los ductos de sifón, particularmente cuando el metal fundido se trata con magnesio, se depositan en el revestimiento refractario. Las partes superiores de los sifones de llenado y vaciado están por tanto bridadas para fácil limpieza.

Los hornos de vaciado por inducción eliminan inclusiones de escoria, aseguran tasas de vaciado requeridas, miden exactamente el peso del metal fundido y mantienen la temperatura del baño constante durante el vaciado. El metal fundido debe verterse a una tasa acorde con la capacidad de admisión del molde.

Entre los últimos avances en fundición está la monitorización electrónica del proceso de vaciado, que puede ser controlada en lazo abierto usando el principio teach-in o en lazo cerrado regulando el nivel de compuerta del molde.

La productividad puede aumentar significativamente usando cucharones intermedios, operados ya sea como sistemas de inclinación o con control de tapón cuando se hacen demandas especiales en el proceso de vaciado.

Los sistemas modernos de vaciado automatizados permiten operación continua de fundición manteniendo el metal fundido listo para vaciado en todo momento y asegurando que se vierta en el molde exactamente como se requiere.

Provisión de alimentación (Gating)

Una fundición en arena se produce vertiendo el metal fundido en el molde a través de un puerto llamado "compuerta". Es práctica convencional ubicar la compuerta ya sea en la línea de partición o en la porción más baja de la fundición.

El sistema de alimentación (compuesto por cuenca de vaciado, cuchara, canal, compuertas, etc.) logra los siguientes propósitos:

1. Dirigir el metal fundido en el molde con turbulencia mínima. La turbulencia excesiva causa aspiración de aire y formación de escoria.
2. Llenar el sistema de molde completamente (debe hacerlo con mínima perturbación, promoviendo limpieza y reduciendo oxidación).
3. Distribuir el metal con mínima perturbación para reducir erosión del material del molde e inclusiones de arena consecuentes.
4. Desescoriar o separar escoria u otras materias extrañas; es decir, a medida que el metal fluye a través del sistema de alimentación, arena suelta, óxidos y escoria deben impedirse de entrar en la cavidad del molde proporcionando acción de desescoriado. (Es deseable que los apéndices que obstaculizan el flujo de metal no se usen. También se deben evitar en el diseño núcleos delgados o paredes divisorias que puedan desprenderse al ser sometidos a metal caliente).

Las secciones más gruesas deben alimentarse con suficiente metal caliente a través de cabezales y alimentadores para compensar la tolerancia de contracción.

Requisitos de un sistema de alimentación ideal

Como ya se mencionó, el sistema de alimentación incluye cuenca de vaciado, cuchara, canales, alimentadores y compuertas. El sistema de alimentación debe promover gradientes de temperatura favorables para solidificación direccional. La velocidad de entrada de metal debe ser mínima y libre de turbulencia para evitar erosión de superficies de molde y núcleo. El sistema de alimentación debe apisonarse tan duro o más que la cavidad del molde.

Las diversas partes del sistema de alimentación deben ser redondeadas, suaves y aerodinámicas para prevenir turbulencia y erosión. Debe evitar la formación de óxidos y otra escoria y mantenerse libre de arena suelta y prevenir su paso a la fundición. Un canal debe extenderse cierta distancia más allá de la última compuerta para atrapar cualquier escoria del primer flujo de metal. La escoria y escoria presente en el cucharón no debe llevarse a la cavidad del molde.

El sistema de alimentación debe evitar el arrastre o absorción de aire/gases en el metal mientras pasa a través de él. Metal con sobrecalentamiento excesivo puede aumentar el contenido de gas del metal y producir más escoria e influir adversamente en la solidificación direccional. Las compuertas deben llevar metal a las secciones más pesadas de una fundición, preferiblemente debajo o a través de un alimentador. Finalmente, la compuerta debe ser práctica y económica de hacer.

Sistema de vaciado

Los puntos importantes a considerar en el diseño del sistema de vaciado de fundiciones son:

1. El flujo líquido no debe dañar (erosionar) las paredes del molde.
2. El líquido no debe llevar arena o escoria a la fundición.
3. Debe evitarse la aspiración de gases en la corriente de metal fundido.
4. Vaciado de metal con pérdida mínima de temperatura y establecimiento de gradiente de temperatura en las superficies del molde y dentro del metal para ayudar a la solidificación direccional hacia el alimentador.

Todo esto puede lograrse con un diseño adecuado del sistema de alimentación y sistema de vaciado proper.

Para que no se absorba aire por el metal líquido en su paso descendente en la compuerta, la forma de la compuerta debe ser tal que la presión del líquido en cualquier punto del pasaje de la compuerta no esté por debajo de la presión atmosférica. Esto es posible cuando los lados de la compuerta descendente se hacen hiperboloides en sección.

Como la forma hiperbólica es difícil de producir, una sección cónica con mayor diámetro en la parte superior y menor en la inferior puede servir. En la práctica real, se provee una cuenca de vaciado en la parte superior y el metal se alimenta a través de una cuchara vertical cónica y una compuerta horizontal corta como se muestra en la Fig. 3.43. Este arreglo minimiza la oxidación y reduce el daño a la cavidad del molde porque la fuerza del metal entrante se reduce.

La sección transversal de la cuchara puede ser circular, cuadrada o rectangular. El tamaño de la cuchara usualmente varía de 10 mm cuadrados para fundiciones pequeñas (menos de 12 kg) a unos 20 mm cuadrados para fundiciones pesadas. El tamaño de la cuchara debe ser suficiente para que se mantenga llena durante toda la operación de vaciado, y el metal no entre en la cavidad del molde con alta velocidad, causando salpicaduras y turbulencia.

Si la cuchara es recta con esquinas agudas, ocurre aspiración severa resultando en turbulencia en el metal. La aspiración es despreciable sin turbulencia si la cuchara es cónica, esquinas redondeadas, pozo de cuchara provisto y cuenca de vaciado tipo presa hecha.

La cuenca de vaciado también reduce el efecto erosivo de la corriente de metal líquido que viene directamente del horno y ayuda a mantener una cabeza de vaciado constante. Un colador cerámico podría colocarse en la parte superior de la cuchara para remover escoria.

Un núcleo antirrespaldo cerámico podría colocarse en el fondo de la cuchara para reducir la fuerza erosiva de la corriente de metal líquido. Una trampa skim bob colocada en una compuerta horizontal podría proveerse para impedir que impurezas más pesadas y más ligeras entren en el molde.

Diseño de alimentación

La compuerta se define como abertura desde el canal (pasaje común para suministrar metal a varias cavidades) al molde. El tamaño y ubicación de la compuerta deben asegurar llenado rápido del molde, distribución del metal en la cavidad del molde a una tasa adecuada, sin pérdida excesiva de temperatura, turbulencia, erosión mínima del molde, sin atrapar gases y escorias, sin desarrollo de grietas al enfriar, y fácil remoción de la compuerta sin dañar la fundición.

Para prevenir arena suelta y escoria de entrar en la cavidad del molde y permitir que el metal caiga en un chorro pequeño, se provee una cuenca de vaciado de gran tamaño en la parte superior de la cuchara-cum-alimentador o un núcleo colador podría ajustarse en la cuenca de vaciado.

Si el metal se vierte muy lentamente en una cavidad del molde, la solidificación puede comenzar mientras ni siquiera está completamente llenada. Si se vierte muy rápido, la alta velocidad erosionará la superficie del molde. Así, la velocidad óptima de vaciado es esencial.

Las compuertas, según su posición, pueden ser superiores, de línea de partición e inferiores. En el caso de alimentación superior, el metal fundido se vierte por el cabezal o alimentador. Así, la erosión del molde por metal que cae debe asegurarse haciendo molde duro. En este caso, el metal caliente permanece arriba y así se establecen gradientes de temperatura adecuados para solidificación direccional hacia el alimentador. La compuerta superior puede hacerse servir como alimentador.

Las compuertas superiores usualmente se limitan a moldes pequeños y simples o fundiciones grandes hechas en moldes de material resistente a erosión. La alimentación superior no es aconsejable para metales ligeros y oxidables como aluminio y magnesio por temor a atrapamiento por vaciado turbulento.

En el sistema de alimentación en línea de partición, el metal entra en la cavidad del molde al mismo nivel que la junta del molde o línea de partición. La cuchara se conecta a la fundición a través de una compuerta en dirección horizontal. Es así posible proveer skim bob o compuerta de desescoriado para atrapar cualquier escoria o arena en el metal. La estrangulación sirviendo como restricción controla la tasa de flujo.

En el sistema de alimentación inferior, el metal fundido fluye hasta el fondo de la cavidad del molde en el arrastre y entra en la parte inferior de la fundición y sube suavemente en el molde y alrededor de los núcleos. Las compuertas inferiores son las más adecuadas para fundiciones grandes de acero. La turbulencia y erosión del molde son mínimas en este caso. Sin embargo, el tiempo para llenar el molde es mayor.

La solidificación direccional es difícil de lograr en alimentación inferior porque el metal continúa perdiendo calor en la cavidad del molde y cuando llega al alimentador, el metal se vuelve mucho más frío.

Efecto de aspiración

En un diseño de molde defectuoso, la velocidad del metal puede ser alta y así la presión puede caer por debajo de la atmosférica y los gases originados por la cocción de compuestos orgánicos pueden alterar la corriente de metal fundido, produciendo fundiciones porosas.

Dos casos son posibles en moldes donde puede experimentarse presión negativa. Uno está en el diseño de la cuchara y otro, donde ocurre un cambio brusco en la dirección del flujo. Refiriéndose a la Fig. 3.47, se verá que la presión en los puntos 1 y 3 es atmosférica.

Por el teorema de Bernoulli, la presión será negativa en 2, si la cuchara es como se muestra por líneas punteadas. Para superar este problema, la cuchara debe hacerse cónica, preferiblemente con curva como se muestra en línea firme entre 1 y 2.

La otra condición se muestra en la Fig. 3.48, donde debido al cambio en la dirección del flujo de metal, se experimenta el efecto vena contracta. Para evitar presión negativa en esta región, la forma del molde debe ser según el perfil de vena contracta.

Relación de alimentación (Gating Ratio)

La relación de alimentación se define como la relación del área de la cuchara al área total del canal al área total de la compuerta. Una relación de alimentación de 4:3:2 resulta en sistema presurizado. En este sistema, las proporciones de área transversal de cuchara, canal y compuerta se arreglan de modo que se mantenga contrapresión en el sistema de alimentación por una restricción de película de fluido en las compuertas. Este sistema se adopta para metales como acero, hierro, latón, etc.

El sistema de alimentación presurizado se mantiene lleno de metal. La contrapresión debida a la restricción en las compuertas tiende a minimizar el peligro de que el metal se separe de las paredes del molde con consecuente aspiración de aire. Los sistemas presurizados son generalmente menores en volumen para una dada tasa de flujo de metal que los no presurizados.

Así, menos metal queda en el sistema de alimentación y el rendimiento de fundición es mayor. Sin embargo, turbulencia severa puede ocurrir en uniones y esquinas a menos que se emplee aerodinamizado cuidadoso. Alta velocidad y turbulencia resultan en atrapamiento, formación de escoria y erosión del molde.

En caso de sistema no presurizado, la restricción primaria al fluido está en o muy cerca de la cuchara. Relaciones de alimentación como 1:3:3, 1:2:2 producirán un sistema no presurizado. Tal sistema se adopta para metales ligeros, oxidables como aluminio y magnesio, donde la turbulencia debe minimizarse ralentizando la tasa de flujo de metal.

En el caso de sistemas no presurizados, se requiere diseño cuidadoso para asegurarlos, manteniéndolos llenos durante el vaciado. Canales en arrastre y compuertas en copia ayudan a mantener un canal lleno, pero el aerodinamizado cuidadoso es esencial para eliminar efectos de separación y consecuente aspiración de aire.

Solidificación direccional

A medida que el metal fundido en el molde se enfría, se solidifica y contrae en volumen. Dado que todas las partes de una fundición no se enfrían a la misma tasa debido a secciones variables, tasa variable de pérdida de calor a paredes de molde adyacentes, etc., vacíos y cavidades son propensos a formarse en ciertas regiones de la fundición.

En buen diseño de fundición, estos vacíos se llenan con metal líquido de la porción de la fundición que aún es líquida. Así, la solidificación debe continuar progresivamente desde la sección más delgada que se solidifica primero hacia los alimentadores, que deben ser los últimos en solidificarse. Este proceso se conoce como "Solidificación Direccional", que se busca para producir fundiciones sanas.

La solidificación direccional puede asegurarse diseñando y posicionando adecuadamente el sistema de alimentación y alimentadores, aumentando el espesor de ciertas secciones de la fundición por uso de relleno, usando materiales exotérmicos en los alimentadores o en la arena de revestimiento alrededor de ciertas porciones de la fundición, usando bloques de enfriamiento (chills) en los moldes.

Las impurezas pueden prevenirse de viajar a la fundición observando lo siguiente:

1. Provisión de cuenca de vaciado de tamaño adecuado ayuda a descomponer la fuerza erosiva de la corriente de metal fundido al ser vertida de un cucharón. Un diseño adecuado de cuenca de vaciado regula la tasa de entrada de metal, permite que el metal fluya en la cuchara suavemente y previene turbulencia.
2. Provisión de colador cerámico en cuchara descendente ayuda a prevenir escoria del cucharón entrando en la fundición.
3. El impacto máximo se siente en el fondo de la cuchara vertical desde donde la arena es propensa a erosionarse y entrar en el molde. Esto puede prevenirse proveyendo núcleo antirrespaldo cerámico en el fondo de la cuchara vertical.
4. Las esquinas agudas en el camino de flujo de metal deben aerodinamizarse para evitar turbulencia y bolsas muertas (ver Fig. 3.46).
5. Provisión de skim bob ayuda a atrapar impurezas tanto más pesadas como más ligeras fluyendo hacia la fundición.

Espesor de sección

El espesor mínimo de sección que puede fundirse para varios metales está limitado por la diferencia en temperaturas de solidificación y fluidez. Debe usarse el espesor mínimo de sección que proporcione la resistencia o peso necesarios, sin requerir temperaturas excesivas para asegurar el flujo.

Los valores normales de espesor mínimo para fundiciones de diseño simple son 3 mm para hierro fundido, 2,25 mm para hierro maleable, 6 mm para acero, 2,25 mm para latón y bronce, y 3 mm para aluminio. Si la longitud de flujo es mayor, debe proveerse espesor mayor que los valores dados. El valor mínimo de espesor para obtener fundiciones sanas será alto si hay intrincaciones en la cavidad del molde.

Debe haber la mayor uniformidad posible de sección de metal entre bosses y salientes y el cuerpo de la fundición para permitir alimentación adecuada de boss o saliente.

Alimentadores (Risering)

El alimentador es un orificio cortado o moldeado en la copia para permitir que el metal fundido suba por encima del punto más alto de la fundición. Proporciona una verificación visual para asegurar el llenado de la cavidad del molde.

Sirve como alimentador para alimentar metal fundido en la cavidad principal de la fundición para compensar la contracción. El diseño del alimentador debe ser tal que establezca gradientes de temperatura dentro de la fundición para que esta se solidifique direccionalmente hacia el alimentador. También ayuda en la fácil expulsión de vapor, gas y aire de la cavidad del molde mientras se llena con metal fundido.

Para mayor solidez, en caso de fundición con secciones delgadas, se pueden usar varios alimentadores. Para efectividad, el alimentador debe ser la última parte de la fundición en solidificarse.

Provisiones de alimentadores

Después de que el molde se ha llenado, el metal entra en los alimentadores. Los alimentadores actúan como depósito y regulador de gradiente de calor, y proveen el metal líquido necesario para compensar la contracción de metal líquido y solidificación. Los alimentadores usualmente se ubican en la parte superior de la sección alimentada.

Dependiendo del metal fundido, su volumen se mantiene entre 25 y 55% de la fundición. Es importante notar que los alimentadores se ubican adecuadamente para que no haya necesidad de remoción excesiva de metal para producir el contorno terminado. Los alimentadores se conectan a la fundición por un cuello de metal llamado compuerta que permite remover el alimentador fácilmente de la fundición después de la solidificación.

Diseño de alimentadores

Si no se provee alimentador durante la fundición, la solidificación comenzará desde las paredes y el metal líquido en el centro estará rodeado por una carcasa solidificada y el líquido contrayéndose producirá vacíos hacia el centro de la fundición. El enfriamiento adicional del sólido en el centro establece tensiones indeseables en la fundición.

La provisión de alimentadores supera estos problemas ya que suministran metal fundido para una fundición en solidificación. Para este propósito, los alimentadores deben ser lo suficientemente grandes para permanecer líquidos después de que la fundición se ha solidificado y deben contener suficiente metal para proveer las pérdidas por contracción. Además, deben posicionarse de modo que continúen suministrando metal durante todo el período de solidificación.

Diseño y posicionamiento de alimentadores

La forma más eficiente de un alimentador de cierto tamaño es la que resulta en mínima pérdida de calor, manteniéndose caliente y manteniendo el metal en estado fundido el mayor tiempo posible. En otras palabras, un alimentador debe diseñarse con el volumen mínimo posible manteniendo una tasa de enfriamiento más lenta que la de la fundición.

La mejor forma para el caso general de fundiciones para lograr el objetivo anterior es cilindro. La altura del alimentador debe ser lo suficientemente alta para que cualquier tubo formado en él no penetre la fundición. La relación de altura a diámetro usualmente varía de 1:1 a 3:2.

El diámetro óptimo del alimentador para una fundición dada puede obtenerse por las siguientes reglas:

(a) Regla de Chvorinov

Establece que el tiempo de congelación...

[Ecuación]

(b) Método de Caine

Este método se basa en el tiempo de congelación relativo de la fundición y el alimentador. Define el tiempo de congelación relativo para solidificación completa como la relación de área superficial de fundición ÷ volumen de fundición : área superficial de alimentador ÷ volumen de alimentador.

Según Caine: (1) si la fundición se solidifica infinitamente rápido, el volumen del alimentador debe ser igual a la contracción de solidificación de la fundición, y (2) si el alimentador y la fundición se solidifican a la misma tasa, el alimentador debe ser infinitamente grande.

La Fig. 3.49 muestra esta relación hiperbólica entre el tiempo de congelación relativo y el volumen relativo.

Además, para una fundición con baja relación A/V, como en el caso de cubo y esfera, un alimentador central puede alimentar toda la fundición. Sin embargo, cuando la relación A/V es alta, como en el caso de barra y placa, se necesita más de un alimentador. La ubicación adecuada del alimentador es esencial en tal caso.

Para una placa de acero de 100 mm de espesor, un alimentador central es adecuado si la distancia máxima de alimentación es menor que 4,5 t desde el borde del alimentador [ver Fig. 3.51 (a)]. Si se requieren más alimentadores, la distancia entre los dos bordes más cercanos de alimentadores debe ser menor que 4 t [ver Fig. 3.51 (b)].

Para una barra de sección cuadrada de 50-200 mm de lado (s), un alimentador central es bueno si la distancia máxima de alimentación es 30√s desde el borde y la distancia entre dos alimentadores (bordes más cercanos) debe ser menor que 1,2 s.

La distancia de alimentación del alimentador puede aumentarse usando bloques de enfriamiento (chills), que proporcionan gradiente térmico agudo y disminuyen la resistencia de alimentación. En caso de alimentador único, el bloque de enfriamiento debe colocarse al final y para más de un alimentador, debe colocarse a medio camino entre dos alimentadores.

La colocación adecuada del alimentador es igualmente importante ya que debe poder alimentar la fundición en solidificación efectivamente. Si la fundición es de forma cúbica o esférica (es decir, forma compacta con bajo valor de A_c/V_c), entonces un solo alimentador es adecuado para alimentar la fundición en solidificación. Sin embargo, cuando el valor de A_c/V_c es alto (como en fundiciones con forma de barra y placa), se puede requerir más de un alimentador.

Si solo se usa un alimentador en tales casos, el estado pastoso justo antes de la solidificación puede restringir el flujo de metal desde un solo alimentador y causar contracción de línea central. Como regla práctica, se puede decir que un solo alimentador es adecuado si la longitud de alimentación es menor que 4,5 veces el espesor de placa para placas de acero de 12-100 mm de espesor.

En el caso de barras cuadradas de tamaño (lado) 50-200 mm, un alimentador central puede usarse para distancias menores que 6 veces el tamaño de la barra. Distancias de alimentación mayores que las anteriores son posibles por uso de bloques de enfriamiento, que aumentan la tasa de enfriamiento y reducen la resistencia de alimentación de línea central. En el caso de aleaciones con mayor resistencia de alimentación de línea central que el acero, los bloques de enfriamiento deben usarse para asegurar la solidez de aquellas partes de la fundición que requieren mayor resistencia.

Materiales exotérmicos a veces se usan en alimentadores para producir solidificación direccional creando calor. Consisten en óxidos de metales como hierro, cromo, níquel o cobre y metal de aluminio en forma de polvo.

Estos compuestos pueden añadirse a la superficie del metal fundido en el alimentador justo después del vaciado, o pueden añadirse a la arena de las paredes del alimentador. Una reacción química ocurre por contacto con el metal fundido produciendo gran cantidad de calor. Así, el metal en el alimentador se sobrecalienta permaneciendo fundido por más tiempo.

La provisión de almohadillas y mangas aislantes alrededor de los alimentadores ayuda a conservar calor. La provisión de bloques de enfriamiento adecuados en ubicaciones deseadas también ayuda a promover solidificación direccional.

Influencia de la solidificación

El diseño de la sección de la fundición debe permitir que los alimentadores cumplan las necesidades de suministrar metal caliente y controlar la solidificación direccional. Por ejemplo, en la Fig. 3.52, el metal fundido se solidificará hacia adentro desde la interfaz metal-molde por solidificación progresiva.

Con condiciones adecuadas de diferenciales de temperatura, la intersección de la congelación progresiva se moverá hacia arriba hacia la ubicación del punto más caliente, que debe estar dentro del alimentador. Esto se llama "solidificación direccional".

Si la altura de alguna sección es demasiado grande en comparación con su sección transversal, entonces la tasa de solidificación progresiva excederá la solidificación direccional, resultando en porosidad fina de línea central o incluso una cavidad grande o serie de cavidades grandes. Para evitar tal condición, es esencial que la sección transversal se estreche hacia abajo siendo mayor en la parte superior y menor en la inferior.

Proporción de secciones

Si las secciones pueden alimentarse adecuadamente, las limitaciones de proporción de secciones no son tan críticas como el diseño de la unión. Las tensiones de contracción debido a gradientes de temperatura muy diferentes deben atenderse. Es ordinariamente posible producir fundiciones sin recurrir a bloques de enfriamiento donde los espesores de sección no son menos del 80% ni más del 120% de la sección adyacente, en cuanto a variaciones de sección remotas de alimentadores.

Uniones y contracción

Las cavidades de contracción causadas por solidificación direccional inadecuada son más propensas a ocurrir en secciones L, T, Y, X y donde secciones grandes se unen con secciones pequeñas abruptamente. Lo que ocurre en estas secciones es que, habiendo una mayor masa en el punto de unión comparado con las patas, el área del punto de unión se convierte en un punto caliente con congelación direccional progresando hacia el punto caliente, que a su vez alimenta las patas y desarrolla la cavidad de contracción.

El punto caliente puede eliminarse ya sea haciendo la sección más uniforme o usando bloques de enfriamiento cerca de la sección transversal de mayor masa (ver Fig. 3.53). Aunque todo esfuerzo debe hacerse para prevenir el aislamiento de secciones pesadas que pueden convertirse en "puntos calientes", a veces se vuelve difícil.

Bajo tales circunstancias, se deja al fundidor controlar la congelación mediante:

1. Manipulación especial de la posición de los alimentadores en el molde.
2. Control de la velocidad de vaciado.
3. Utilización de metal caliente en los alimentadores.
4. Uso de materiales de molde de diferentes características térmicas.

Filetes (Fillets)

Filetes adecuados en todas las intersecciones aumentan materialmente la resistencia y solidez de las fundiciones. El tamaño de los filetes depende del metal usado, forma y espesor de sección de pared y tamaño de la fundición. El radio del filete no debe ser mayor que el espesor de la sección.

Eliminación de grietas en caliente

En una fundición, las grietas en caliente resultan de gradientes de temperatura que establecen diferentes tasas de contracción durante la solidificación e inducen tensiones debido a la resistencia de la arena de magnitud suficiente para causar fractura. Estas pueden minimizarse adoptando buen diseño, es decir, evitando cambios abruptos en sección, ángulos agudos y almas no uniformes conectadas a bridas.

Eliminación de gases en fundiciones

Los gases en fundiciones pueden aparecer como agujeros de gas (agujeros grandes, pocos en número distribuidos en varios lugares de la fundición), poros de aguja (agujeros pequeños, grandes en número cerca de la parte superior de la fundición), poros de aguja (agujeros pequeños distribuidos por toda la fundición). El diseño adecuado de alimentadores y ventilación adecuada de moldes permeables es esencial para evitar estos defectos.

Otra fuente de gases es de los gases disueltos en el metal líquido a alta temperatura, que al enfriarse se liberan. La fundición al vacío y desgasificación al vacío (colocando metal líquido en cámara de baja presión para remover gases disueltos) pueden usarse para reducir gases en baños.

Características de las fundiciones en arena

1. Como la solidificación del metal es bajo condiciones de no equilibrio, las fundiciones son susceptibles a grietas de enfriamiento si no se toma cuidado adecuado en el diseño. Los problemas de contracción pueden atenderse promoviendo solidificación direccional por uso de conos, bloques de enfriamiento metálicos en paredes de molde, y reducción de puntos calientes en uniones de secciones uniformes.
2. El metal solidificado tiene mal acabado. La superficie se ve afectada por acabado del modelo, estructura de arena, aditivos de molde, ventilación del molde y acceso al molde para limpiar partículas de arena suelta antes de cerrar el molde.
3. Las fundiciones en arena son lo suficientemente porosas y, por tanto, no pueden usarse para recipientes a presión (generalmente usados hasta 10 kg/cm²).
4. La estructura obtenida por fundición en arena es suelta y, por tanto, no más resistente que productos forjados.
5. Como los granos no están cerrados, la fundición tiene menor densidad y mala resistencia.
6. Las fundiciones obtenidas por proceso de moldeo tienen buena dureza. Las tensiones internas pueden eliminarse evitando esquinas agudas y restricción física.
7. Las fundiciones en arena tienen mala ductilidad.
8. El método de moldeo es adecuado para fundiciones moderadas y particularmente grandes e inadecuado para secciones delgadas.
9. La idoneidad de las fundiciones en arena radica en el alto punto de fusión del metal fundido.
10. Las fundiciones en arena son menos costosas porque el costo de los moldes de arena es menor.
11. La solidez interna de las fundiciones puede asegurarse minimizando la evolución de gases durante la solidificación y evitando turbulencia al vaciar. La restricción física debe prevenirse ya que conduce a grietas en caliente.