Fosa (metal·lúrgia)

|

Fosa

Colada d'una fosa de ferro en un motllo de sorra. En aquest cas, el material obtingut s'anomena ferro colat

La metal·lúrgia és una part de la Ciència de Materials que estudia els elements metàl⋅lics, els sistemes intermetàl⋅lics i els aliatges, tant pel que fa a la seva preparació, propietats físiques i químiques com les seves aplicacions tecnològiques.

En metal⋅lùrgia el significat de fosa o fundició és el procés d'abocar un metall líquid a un motlle que conté una cavitat buida de la forma desitjada i llavors deixar-lo refredar i solidificar. El material solidificat també és conegut amb el nom de fundició, que després s'expulsa o es treu del motlle per completar el procés. La fundició s'utilitza sovint per fer formes complexes difícils o antieconòmiques per altres mètodes..

Fosa es tradueix per fundición en castellà, casting en anglés i fonderie en francés. El mot fundició no es correcte en català i no es acceptat pel diccionari l'Institut d'Estudis Catalans, encara que es d'ús habitual en el llenguatge col·loquial.

Els processos de fosa es subdivideixen en dues categories principals segons el tipus de motlle emprat: motlles d'un sol ús i reutilitzables. A més a més, es poden dividir segons el material del motlle, com sorra o metall, i pel mètode d'ompliment, com gravetat, buit, o baixa pressió..

Teoria

La fundició és un procés de solidificació, i això significa que el fenomen de la solidificació controla bona part de les propietats del material obtingut. A més, la majoria dels defectes que presenta la fundició ocorren durant la solidificació, com per exemple la formació de bombolles de gas (porositat gasosa) i l'encongiment del material sòlid. .

La solidificació te lloc en dos passos: nucleació i creixement cristal⋅lí o cristal·logènesi. En l'etapa de nucleació les partícules sòlides començen a formar-se dins del líquid. Quan aquestes partícules es formen, la seva energia interna és més baixa que el líquid que les envolta, i això crea una interfície d'energia entre la superficie del sólid i el liquid. La formació d'aquesta interfície exigeix energia i per tal que la nucleació tingui lloc la partícula és refreda per sota la seva temperatura de congelació, a causa de l'energia extra necessària per que es formin les superfícies d'interfície energètiques. Després, durant l'etapa del creixament cristal·lí s'allibera calor i la temperatura torna al nivell del punt de congelació. La nucleació te lloc preferentment sobre una superfície sòlida (partícula) preexistent perquè no es necessaria tanta energia per crear una superfície d'interfície parcial, com per a una superfície d'interfície esfèrica completa. Això pot ser avantatjós perquè les fundicions de gra fi posseeixen millors propietats que les fundicions de gra gruixut. Una estructura de gra fina es pot provocar mitjançant un procés de refinament de gra (grain refinement) o de sembrat, que és el procés d'addició d'impureses controlades per provocar la nucleació. .

Totes les nucleacions dins un líquid son cristalls que creixen mentre el líquid residual intercanviï el calor de fusió que es posa en joc fins que no quedi més líquid. La direcció, velocitat i tipus de creixament es poden controlar per maximitzar les propietats de la fundició. El procés de solidificació direccional (directional solidification) té lloc quan es comença a solidificar el material per un extrem i es continua fins al final; aquest és el tipus ideal de creixement de gra perquè sempre deixa material líquid per compensar l'encongiment del sólid. .

Corbes de Refredament

Les velocitats de refredament moderades d'un líquid fos pot formar microestructures dendritiques. En aquesta imatge es poden veure dendrites primàries i secundàries.

Vegeu també: Corbes de refredament (cooling curves)

Les corbes de refredament són importants a l'hora de controlar la qualitat d'un càsting. El paràmetre més important de la corba de refredament és la "velocitat de refredament" que afecta la microestructura del material sólid que s'obtè i les seves propietats. En general, si la fundició es refreda de pressa tindrà una estructura de gra fi, mentre que si es refreda lentament tindrà una estructura de gra gruixut. La gràfica de més avall representa una corba de refredament d'un metall pur o una mescla eutèctica, amb la terminologia habitualment emprada. .

Corba de refredament d'un metall pur o mescla eutèctica

Abans del període de temperatura constant tot el material és un líquid, i després d'aquest tot el material és un sòlid; durant el temps en que la temparatura no canvia, el material s'està convertint d'un líquid en un sòlid. En aquest període de temps coexisteixen les dues fases (sólida i líquida) en equilibri termodinàmic..

La corba de refredament anteriorment citada descriu una situació típica d'un metall pur o mescla eutèctica; tanmateix, la majoria de les fundicions són aliatges que tenen unes corbes de refredament mes complexes, tal i com es mostre en la figura següent.

En aquest cas no hi ha un interval de temperatura constant. Des de que comença la solidificació fins que s'acaba, la temperatura disminueix monòtonament. La relació entre el diagrama de fases i la corba de refredament s'indica clarament en la figura adjunta.

La regla de Chvorinov

Vegeu tambè: La regla de Chvorinov (Chvorinov's rule)

El temps de solidificació local es pot calcular mitjançant la regla de Chvorinov, que es formula:

$t=B\left({\frac {V}{A}}\right)^{n}$

En aquesta fórmula t és el temps de solidificació, V és el volum de la fundició, A és la superficie de la fundició amb contacte amb el motlle, n és una constant, i B és la constant del motlle. És molt útil determinar si el material fos es solidificarà abans de formarse completament la fundició, Si la fosa es solidifica en els alimentadors del motlle el procès es del tot inútil. .

El sistema de portes

Un senzill sistema de portes d'un motlle de distribució horizontal.

Vegeu també: Sprue (manufacturing)

El sistema de portes serveix per a molts propòsits, el més important ès conduir el material líquid al motlle, però també per controlar la contracció del material quan solidifica, la velocitat del líquid fos, la turbulència, i per atrapar l'escòries que pot arrosegar. Les portes normalment es posen a la part més gruixuda del motlle per ajudar a controlar la contracció del material. Moltes vegades fan falta motlles mes complexes amb mes d'una porta o canals d'alimentació per conduir i emplenar totes les cavitats del moltlle. La velocitat del material fos tambè és important perquè si el líquid va massa lent pot refredar-se i solidificar abans de omplir completament el motlle i provocar un mal funcionament del sistema. Si el material es mou massa de pressa, llavors el material líquid pot erosionar el motlle i contaminar la fundició final. La forma i llargada del sistema de portes també poden controlar la velocitat a la que es refreda el material; canals curts i arrodonits o de secció cuadrada minimitzen les pèrdues tèrmiques. .

El sistema de portes pot ser dissenyat per minimitzar turbulències, depenent del material de la fosa. Per exemple, l'acer, ferro colat, i la majoria dels aliatges de coure són insensibles a les turbulències, però les aliatges d'alumini i magnesi són molt sensibles a aquestes. Pels materials insensibles a les turbulències normalment es fa servir un sistema de portes curt i obert a l'atmosfera per omplir el motlle tan de pressa com sigui possible. En canvi, pels materials sensibles a les turbulències es fan servir motlles amb canals d'alimentació curts per minimitzar la distància que el material ha de recórrer per entrar en el motlle. S'utilitzen tremujes d'alimentació de secció rectangular i de forma cònica per evitar la formació de vòrtexs mentre el material flueix al motlle; aquests vòrtexs tendeixen a xuclar gas i escòries cap al motlle que contaminen la fosa. També es fa servir un canal d'alimentació llarg per dissipar l'energia cinètica del material líquid mentre cau pel canal d'alimentació cap avall, disminuint així les turbulències. L'estrangulació, que és la secció més petita en el sistema de portes utilitzat per controlar flux, es posa prop del canal d'alimentació per frenar i suavitzar el flux de material líquid. En alguns motlles, l'estrangulació es posa a prop de les portes per facilitat l'extracció del material solidificat, però això provoca moltes turbulències.Degarmo, pàg. 285. </ref>. Normalment Les portes es col·loca'n al fons del motlle per minimitzar turbulències i esquitxos. .

El sistema de portes també pot ser dissenyat per atrapar escòries. Un mètode és aprofitar el fet que algunes escòries tinguin una densitat més baixa que el material desitjat, així flotarà a la part superior del sistema de portes. Per això els alimentadors plans i llargs amb portes que surten del fons dels canals d'alimentació poden atrapar escòria en els mateixos; de totes maneres, els alimentadors plans i llargs refredaran el material més ràpidament que els alimentadors de secció quadrada o rodona. Per a materials on l'escòria té una densitat similar al material desitjat, com per exemple en l'alumini, pot ser avantatjós fer servir "passadissos" i "pous". Aquests aprofiten el fet que l'escòria es troba normalment al començament de l'abocament, per això el corredor s'estén més enllà de l'última porta(portes) i el contaminants són retinguts als pous. Les pantalles o filtres també es poden utilitzar per atrapar contaminants. .

És important dissenyar la mida del sistema de portes quan més petita millor, perquè tot ell s'ha de eliminar del material sòlid desitjat i manufacturat i tornar a fondre's per ser reciclat. L'eficiència o rendiment, d'un sistema de portes pot ser calculat dividint el pes de la fosa pel pes total del metall abocat. Per això, quan més alt es aquest número més eficient és el sistema de portes i /alimentadors. .

Contracció

Hi ha tres tipus de contracció: contracció del líquid, contracció de solidificació i la contracció d'enmotllament. la contracció del líquid rarament és un problema perquè cada vegada hi ha més material fos que està fluint al motlle darrere d'ell. La contracció de solidificació ocorre perquè els metalls són menys densos com a líquid que en estat sòlid, així durant solidificació la densitat de metall augmenta dramàticament i el seu volum especific disminueix . La contracció d'enmotllament es refereix a l'encongiment que ocorre quan el material es refreda des de la temperatura de solidificació fins a la temperatura ambient, per causa a causa de la contracció tèrmica. .

Contracció de solidificació

Contracció de solidificació de diversos metalls . .

Metall	Percentatge
Alumini	6.6
Coure	4.9
Magnesi	4.0 o 4,2
Zinc	3.7 o 6,5
Acer baix en carboni	2.5-3.0
Acer alt en carboni	4.0
Fosa blanca	4.0-5.5
Fosa gris	−2.5-1.6
Fosa dúctil	−4.5-2.7

La majoria dels materials encongeixen mentre se solidifiquen, però, com es pot veure a la taula de la dreta, uns quants materials no ho fan, com per exemple la fosa gris. Per als materials que es contrauen durant la solidificació, el tipus d'encongiment depèn de la magnitud de l'interval de refredament del material, des de que comença fins que acaba la solidificació. Pels materials amb un interval de solidificació petit, menys que 50º, es forma una cavitat o canal a l'interior de la fundició una cavitat, perquè les parts mes externes i amb contacte amb les parets del motlle es refreden primer i poc a poc la solidificació avança fins a l'interior del material. Els metalls purs i les mescles eutèctiques normalment tenen intervals de solidificació molt petits. Aquests materials tendeixen a formar una escorça en motlles al aire lliure, per això es coneixen com aliatges formadores de escorçes. . Pels materials amb un interval de congelació àmplia, més gran que 110º, la major part del material que va solidificant es troba dins de l'interval de temperatures compresses entre la corba del "liquidus" i del "solidus" que fa que es formin petites bosses de líquid atrapat a l'interior que finalment augmentaran la porositat del material. Aquestes foses tendeixen a tenir una pobra ductilitat , duresa, i resistència a la fatiga. Per a aquests tipus de materials pot ser necessària una operació secundària que impregni la fosa amb un metall de punt de fusió més baix o una resina. . .

Pels materials que tenen un interval de solidificació estret, la formació de cavitats o canals a l'interior es pot evitar dissenyant el motlle per que afavoreixi la solidificació direccional. D'aquesta manera, el material fos solidifica primer en els punts més allunyats de la porta i progressivament segueix fins a la mateixa porta, això permet un flux continu de material líquid a la zona de solidificació i compensar així la contracció de solidificació, això es pot fer en el mateix sistema de portes o en els alimentadors addicionals. .

Alimentadors de reserva

(vegeu Riser (casting) i chill (casting) )

Diferents Tipus d'alimentadors de reserva

Els alimentadors de reserva son la manera més corrent de dirigir la solidificació direccional. Proporcionen metall líquid al material que es va solidificant per compensar l'encongiment de solidificació. Perquè un alimentador de reserva funcioni correctament, el material que aquest subministra ha de solidificar després del de la fosa, altrament no podria proporcionar metall líquid al sòlid que s'encongeix dins del motlle. Els alimentadors de reserva encareixen el procés de fabricació i disminueixen el rendiment global; i.e. es perd més metall en cada fosa. Una altra manera de promoure la solidificació direccional és afegint massalotes al motlle. Una massalota és qualsevol material que condueix el calor fora del motlle més ràpidament que el material utilitzat en el mateix. .

Els alimentadors de reserva es classificant segons tres criteris. El primer és segons si l'alimentador està obert o no a la atmosfera; en el primer cas se'n diu "obert" i en el segon "tancat" o cec". El segon criteri és la seva situació; si està situat en el motlle, llavors se'n diu "alimentador primari" i si està situat a prop del motlle se'n diu com un "alimentador lateral". Finalment, si l'alimentador de reserva està situat en el sistema de portes, de manera que ompli després la cavitat de modelatge, se'n diu "alimentador viu o calent", però si l'alimentador de reserva s'omple amb materials que ja han fluït a través de la cavitat del motlle, se'n diu "alimentador mort o fred". .

Els elements auxiliars dels alimentadors de reserva són dispositius utilitzats per ajudar a crear solidificacions direccionals o per reduir el número d'alimentadors necessaris. Un d'aquests elements auxiliars són les "massalotes" que acceleren el refredament en una certa part del motlle. Hi ha dos tipus de massalotes: externes i internes. Les massalotes externes són masses de gran capacitat calorífica i alta conductivitat tèrmica que es posen a fora i al costat de la cavitat del motlle. Les massalotes internes són peces del mateix metall que s'està fonent i que es posen dins del motlle i que finalment passa'n a integrar-se en la fosa. També s'utilitzen mànigues d'aïllament que es poden instal·lar al voltant dels alimentadors per alentir la solidificació del material en els mateixos. També es poden instal·lar calefactors al voltant o damunt dels alimentadors per fer la mateixa funció. .

Contracció d'emmotllament

Típica contracció d'emmotllat de diversos metalls .

Metall	Percentatge	in/ft
Alumini	1.0 ??1.3	1⁄8-5⁄32
Llautó	1.5	3⁄16
Magnesi	1.0 ??1.3	1⁄8-5⁄32
Ferro colat	0.8 ??1.0	1⁄10-1⁄8
Acer	1.5 ??2.0	3⁄16-1⁄4

La contracció que experimenta el material després de solidificar i arribar a la temperatura ambiental es pot controlar mitjançant un motlle sobredimensionat especialment adaptat al metall o aliatge de que es tracti. Per aquesta tasca es s'utilitzen les reglas d'encongiment o de contracció . Aquestes regles acostumen a donar un 2,5% de folgança depenent del material utilitzat i s'ha de tenir en compte al dissenyar el motlle. .

L'encongiment d'emmotllament no té en compte les transformacions de canvi de fase. Per exemple, les reaccions eutèctiques, les reaccions martensítiques (martensitic), i de grafitització (graphitization) poden provocar expansions o contraccions adicionals. .

Cavitat del motlle

La cavitat del motlle d'una fosa no reflecteix les dimensions exactes de la peça final acabada, en part degut a un cert nombre de raons. Aquestes modificacions de la cavitat del motlle es coneixen com toleràncies i tenen en compte l'encongiment de emmotllat, mecanització final, i altres distorsions. En motlles reutilitzables, aquestes toleràncies se incorporen directament al motlle permanent, però en motlles d'un sol s'han d'incorporar als patrons que més tard donaran forma a la cavitat (matriu) que generarà la peça acabada . Pels motlles reutilitzables s'ha de tenir en compte la tolerància deguda al canvi de dimensions del mateix a causa de la temperatura de treball. .

Per desemmotllar fàcilment la peça final acabada s'ha de tenir cura de les línies de tall del motlle. Aquestes línies de tall depenen de la mida i forma de la peça acabada, de la profunditat de la cavitat del motlle, de quina manera es traurà la peça manufacturada, del material del motlle i del tipus de proces emprat. .

Les toleràncies degudes als processos de mecanització posterior a les peces obtingudes varien molt en funció del mètode de fosa. Les foses en motlles de sorra d'un sol ús presenten superfícies d'acabat rugoses i necessiten d'un mecanitzat posterior molt acurat; mentre que les foses fetes en un motlle omplert a pressió tenen un acabat de superfície molt fi que no necessita grans toleràncies d'acabat. .

Les toleràncies per distorsions només son necessàries per segons quines geometries de les peces fabricades. Per exemple, les foses en forma de U tendeixen a distorsionar-se perquè la base pot contreure's més mentre que les ramas laterals ho fan menys perqué estan mes constrenyi-des pel motlle. .

Els nuclis o matrius es fan servir en els motlles d'un sol ús per generar formes internes. Les matrius poden ser de metall, encara que també es fan de sorra.

Emplenat

Esquema d'una fosa en motlle permanent a baixa presió

Hi ha uns quants mètodes habituals per omplir la cavitat del motlle: per gravetat, a baixa pressió, a alta pressió, i al buit . .

El mètode de emplenat d'un motlle al buit, també conegut con contra-gravetat, es més eficient que el emplenat per gravetat perquè es solidifica menys material en el sistema de portes. L'emplenat per gravetat te només un rendiment entre 15-50% en comparació amb el de buit que es del 60-95%. En aquest sistema hi ha també menys turbulència, de manera que el sistema portes es pot simplificar ja que no ha de controlar les turbulències. Més encara, ja que el metall s'extreu per sota de la part superior de la piscina, aquest és lliure de contaminants i escòries, degut a que aquestes tenen una densitat més baixa que el metall fos i floten a la part superior de la piscina. El diferencial de pressió ajuda el metall a fluir a tots els racons del motlle. Finalment, es poden utilitzar temperatures més baixes la qual cosa millora l'estructura de gra del material solid. . La primera patent d'un proces de fosa a al buit es del any 1879. .

El mètode d'emplenat a baixa pressió utilitza aire a 5-15 psig (35-100 kPag) per forçar el metall líquid a pujar per un tub d'alimentació i emplenar el motlle. Aquest mètode elimina les turbulències que es manifesten en l'emplenat per gravetat, augmentant la densitat, la fiabilitat del procediment i la uniformitat del gra. Després que el metall s'hagi solidificat s'allibera la pressió i qualsevol líquid residual retorna al gresol o piscina, augmentant així el rendiment de l'operació. .

Emplenat per vessament inclinat

L'emplenat per vessament inclinat és una tècnica d'emplenament poc usual. El gresol es fitxe al sistema de portes i el conjunt s'inclina lentament de manera que el metall líquid flueixi a la cavitat del motlle amb poca turbulència. L'objectiu és reduir la porositat i les inclusions no desitjades eliminant les turbulències. En la majoria dels casos aquest procediment no es útil per dificultats inherents al propi mètode. Si el conjunt gressol-motlle es fa rodar massa lentament, el front de metall líquid es solidifica massa depresa i això provoca un mal funcionament del sistema. En canvi, si roda massa depresa s'indueixen turbulències que malbaraten els propòsits inicials del procediment. Durville de França va ser el primer en provar l'emplenat per vessament inclinat durant els anys 1800. Intentava utilitzar-lo per reduir defectes de superfície en l'encunyació de monedes de bronze d'alumini. .

Microstructure

The grain macrostructure in ingots and most castings have three distinct regions or zones: the chill zone, columnar zone, and equiaxed zone. The image below depicts these zones.

La microestructura dels grans en els lingots i en la majoria de foses presenten tres regions o zones ben clares : la zona freda, la zona columnar, i la zona equiaxial. La imatge a sota descriu aquestes zones.

La zona freda s'anomena així perquè es la mes propera a la pared del motlle i es la que es refreda més depresa.En aquesta zona te lloc la nucleació del material i la formació dels primers cristalls. A mida que el material es va refredant, els cristalls creixen en direcció del centre del motlle en forma de prims i llargues formes cristal·lines perpendiculars a la pared del motlle. Aquests cristalls no son desitjables perquè a causa de la seva morfologia presenten propietats anisotròpiques (Anisotropic). Finalment, en el centre del motlle es troba la zona equiaxial composta de cristalls sense una direcció privilegiada i orientats al atzar. Aquests cristalls son desitjables perquè presenten propietats isotròpiques (Isotropic). Es pot afavorir la formació d'aquesta zona mitjançant l'emplenament a baixes temperatures i inclusions d'altres materials o inoculants .

Inspecció

Els mètodes d'inspecció comuns per foses d'acer són la inspecció per partícules magnètiques (Inspección por partículas magnéticas) i Inspecció per líquids penetrants (liquid penetrant testing). . Els mètodes d'inspecció comuns per foses d'alumini són radiografia, proves per ultrasons (testatge ultrasònic), i inspecció per líquids penetrants. .

Defectes

Vegeu també Defecte de colada

Hi ha un cert nombre de problemes que es poden trobar durant el procés de fosa. Els tipus principals són: porositat gasosa, defectes d'encongiment o contracció, defectes del material que forma el motlle, defectes del metall fos amb que s'omple el motlle i defectes metal·lúrgics.

Fosa en motlles d'un sol ús

Les foses en motlles d'un sol ús es una classificació genèrica que inclou els motlles de sorra, plàstic, guix i de cera (mètode de la cera perduda)

Motlles de guix

Normalment s'utilitza una peça de guix com una etapa prèvia en la producció d'una escultura en bronze o en pedra tallada. Les peces de guix duren més (si es mantenen fora de les inclemències del temps) que les d'argila que s'han de mantenir humides si no es vol que es trenquin. Amb un motlle en guix, el treball de fer la peça final en bronze o pedra tallada es pot ajornar fins a trobar les condicions ideals o trobar un client.

Un motlle de guix, de vegades reforçat amb sisal o arpillera, es cobreix amb una barreja d'argila i es deixa fraguar. Una vegada endurida l'argila es separa del guix i es pot fer servir més endavant per un altre imatge del motlle de guix que es pot pintar i decorar a voluntat.

Emmotllament en sorra

Vegeu també Emmotllament en sorra verda

L'emmotllament en sorra es un dels més populars i senzills mètodes d'emmotllat que ha estat utilitzat durant centúries. L'emmotllament en sorra permet fer lots de peces més petits que l'emmotllament en motlles permanents i a més baix cost. Aquest mètode no solament permet als fabricants crear productes a un baix cost, sinó que permet fer també peces de mida molt petita. Des de foses que caben a la palma de la mà fins a rails de tren es poden fer amb aquesta tècnica. Es possible fer peces metàl·liques de diferents metalls fent servir diferents tipus de sorra. .

La fosa en motlles de sorra requereix varis dies per tenir una gran producció (1-20 peces/h-motlle). La sorra verda (humida) no té gairebé cap límit de pes, mentre que la sorra seca té un límit pràctic de 2300-2700 kg. El mínim de pes pràctic es de 0,075-0,1 kg. La sorra s'aglutina mitjançant argiles, adhesius químics o olis polimeritzats (com els olis de motor). La sorra es pot reciclar moltes vegades en la majoria de les operacions i exigeix poc manteniment.

Emmotllament en guix

Vegeu també Plaster mold casting

La fosa en guix es similar a la fosa en sorra excepte que aquesta es substitueix pel guix. Generalment, la forma triga menys d'una setmana en preparar-se, i es pot arribar a tenir una producció de 1-10 unitats/h-motlle. Es poden prepara peces tan pesades com de 45 kg i tan lleugeres com de 30 g, amb molt bon acabat superficial i toleràncies molt petites. . La fosa en guix és una alternativa barata a altres processos de fabricació d'objectes complexes a causa del cost baix del guix i la seva habilitat per produir foses de formes netes i ben dibuixades. El desavantatge més gran és que només es pot utilitzar amb materials no ferrosos de punt de fusió baixos, com alumini, coure, magnesi, i zinc. .

Emmotllament en capa de sorra

Vegeu també Shell molding

Emmotllament en capa de sorra es semblant al emmotllament senzill en sorra, però la cavitat del motlle està revestida per una "closca" endurida de sorra. La sorra utilitzada en aquesta tècnica és més fina i de qualitat que la sorra emprada en l'altre tècnica, i es barreja amb una resina de manera que pugui ser escalfa-se i endurir-se al voltant de la forma. A causa de la resina i sorra més fina, aquesta tècnica dóna un acabat superficial molt més fi. El procés s'automatitza fàcilment i és més precís que el senzill emmotllament de sorra. Els metalls comuns que es poden manufacturar per aquesta tècnica inclouen ferro colat, alumini, magnesi, i aliatges de coure. Aquest procés és ideal per elements complexos de mides petites o mitjanes.

Emmotllament a la cera perduda

Vegeu també Emmotllament a la cera perduda i cera perduda

La cera perduda és una tècnica de modelatge de figures i peces en principi de vidre o de metall que es fa servir a la indústria per a peces de precisió o de vegades també per artesans, per exemple joiers o escultors. Aquesta tècnica, d'origen antic, permet reproduir detalls petits i subtils però no sempre funciona bé amb certs volums complexes. A més és arriscada, ja que es pot trencar la figura i el motlle, i és una de les tècniques metal·lúrgiques més cares, ja que no només cal fer motllos -que sempre resulta el més car- sinó que aquests són usualment d'un sol ús.

El procediment es basa en tallar la peça original típicament en cera que és tova i permet realitzar-hi tota mena de detalls. Altres materials que es poden usar són la terrissa, el greix, la parafina o d'altres (polímers, per exemple). A aquesta peça se li afegeixen uns tubs fins i massissos, també de cera, que després serviran per a crear canals per on es vesarà el material líquid. El conjunt es cobreix amb una forma compacta d'un material tou però que pugui esdevenir dur i amb certes propietats tèrmiques com, per exemple, el ciment, de manera que hi sobresurtin els extrems dels sortints afegits. Després car endurir el material tou que cobreix. A continuació s'aplica calor per a fondre la cera i evacuar-la per forats i canals creats pels cilindres o cons afegits. A continuació es vessa el metall fos a dins del motlle.

El procés és adequat per producció en serie de components de formes netes des d'una varietat de metalls diferents i aliatges. Encara que generalment s'utilitza per foses petites, aquest procés s'ha utilitzat també per produir marcs de porta d'aeronaus, amb foses d'acer de fins a 300kg i foses d'alumini de fins a 30kg.

Emmotllament amb patrons volàtils

Vegeu també Evaporative-pattern casting

This is a class of casting processes that use pattern materials that evaporate during the pour, which means there is no need to remove the pattern material from the mold before casting. The two main processes are lost-foam casting and full-mold casting.

Això és una classe de processos de fosa que utilitzen materials com patrons de forma (o models) que s'evaporen durant l'abocament del material fos dins del motlle, de manera que no hi ha cap necessitat de treure el material patró del motlle abans de llençar el metall fos. Els dos processos principals són l'emmotllament a l'escuma perduda i l'emmotllament a motlle complert.

Emmotllament a l'escuma perduda

Vegeu també Lost-foam casting

L'emmotllament a l'escuma perduda és un tipus de procés de fosa que utilitza un patró de forma que es volatilitza fàcilment. Aquest és una tècnica similar al emmotllament a la cera perduda, excepte que s'utilitza l'escuma per fabricar el patró en comptes de cera. Aquest procés aprofita el punt d'ebullició baix de l'escuma per simplificar el procés de fosa eliminant la necessitat de desfer la cera del motlle.

Emmotllament a motlle complert

Vegeu també Full-mold casting

L'emmotllament a motlle complert és un procés de fosa amb un patró volàtil que és una combinació de la fosa en sorra i la fosa en escuma perduda. Utilitza un patró d'escuma de poliestirè expandit que està envoltat per sorra de fosa. El metall s'aboca llavors directament al motlle que vaporitza l'escuma en posar-se en contacte amb ella.

Fosa en motlles reutilitzables

Foses en motlles permanents

La fosa en motlles permanents difereix de la fosa en motlles d'un sol ús en que el motlle no s'ha de refer després de cada cicle de producció. Aquesta tècnica inclou, al menys, quatre mètodes diferents: motlle permanent; fosa a pressió; fosa per centrifugat i per colada contínua. Aquesta forma de fosa millora la fiabilitat de les peces obtingudes en tot moment.

Fosa en motlle permanent

Vegeu també Permanent mold casting, low-pressure permanent mold casting i vacuum permanent mold casting

La fosa en motlles permanents es un tipus de fosa que utilitza motlles reutilitzables fets habitualment de ferro. El mètode mes emprat utilitza el mètode d'ompliment per gravetat, encara que també es pot fer servir un gas a pressió o el buit per omplir el motlle. Una variació del procés de fosa per gravetat típic s'anomena fosa de fang i produeix peces acabades buides. Els metalls més comuns obtinguts per el mètode de fosa per gravetat són: alumini, magnesi, i aliatges de coure. Altres materials com l'estany (llauna), zinc, i aliatges de de plom i ferro (acer) també es fonen en motlles de grafit. El motlles permanents, encara que duran més d'un sol process, tenen també una vida limitada.

Fosa a pressió

Vegeu també Die casting

El procés de fosa a pressió força un metall fos a introduir-se a pressió en la cavitat d'un motlle prefabricat. Aquest mètode s'utilitza principalment per metall no ferrosos com el zinc, coure i alumini, encara que també es pot fer servir per a metall ferrosos. El mètode de fosa a pressió és especialment indicat per objectes amb petites o mitjanes parts on es necessita una bona qualitat superficial i bons acabats.

Fosa d'un metall semi solid

Vegeu també Semi-solid metal casting

La fosa d'un metall semi solid es un procés modificat de fosa que redueix les porositats residuals presents en la majoria de peces de fosa. En comptes d'un metall liquid, aquest mètode utilitza un material altament viscós que a la vegada es solid i parcialment liquid. S'utilitza un dispositiu a pressió per injectar el material a l'interior del motlle. L'alta viscositat del material i les apropiades condicions d'ompliment asseguren que el material ompli el motlle sense turbulències, de manera que la porositat del producte final es òptima.

Aquest mètode s'utilitza comercialment per preparar aliatges de alumini i magnesi. Les aventatges més importants d'aquesta tècnica es la de produir peces de formes complicades, resistents a la pressió i amb acabats de qualitat.

Fosa per Centrifugació

Vegeu també Centrifugal casting

En aquest procés el metall liquid s'introdueix en un motlle que gira. El liquid fos flueix pel eix de gir i es precipita cap a les parets exteriors del motlle per la força centrífuga, on es solidifica.

La colada per centrifugació funciona per gravetat i es independent de la pressió, ja que el dispositiu crea la seva pròpia força i genera forces fins a 900 N en la cavitat rotatòria. El temps d'operació depèn del disseny de la màquina. En general es poden produir fins a 30-50 peces(h-motlle fins a un límit de 900 kg de massa total i 2,3-4,5 kg per cada peça.

La primera aplicació d'aquesta tècnica va ser desenvolupada per la empresa alemanya Krupp per fabricar rodes de locomotores i vagons de tren, fet que va influir notablement en l'èxit de la companyia.

De vegades, les les peces petites d'art com joies són foses per aquest mètode utilitzant el procés de la cera perduda, ja que les forces centrífugues permeten que el metall fos penetri dins els més recondits llocs del motlle, permetent així reproduir detalls com fulles i pètals de flors.

Colada Contínua

Vegeu també Continuous casting

La colada contínua és un refinament del procés de fosa destinada a una producció continua de un gran volum de lingots de metall amb una secció constant. El metall fos s'aboca en un motlle de coure obert, refredat amb aigua. El refredament deixa una capa de metall sòlid sobre el centre del material encara líquid, anomenat "bri". El bri es retira del motlle i es passa a una cambra amb rodets on es ruixa amb aigua. El bri es va solidificant gradualment des de fora a dins del material. Després de la solidificació, el bri es talla mecànicament o amb torxes oxiacetilèniques i es passa al acabat final o a la seu emmagatzematge.

La colada contínua s'utilitza a causa dels baixos costos associats amb la producció contínua d'un producte estàndard, i també degut a la qualitat del producte final. Els metalls com l'acer, coure i alumini són fosos d'aquesta manera, siguen l'acer el material tractat així amb diferència.

Terminologia

Metal casting processes uses the following terminology:

Que el metall llenci processos utilitza la següent terminologia: .

• Pattern: An approximate duplicate of the final casting used to form the mold cavity.

• Patró: Un duplicat aproximat del càsting final solia formar la cavitat de floridura.
• Molding material: The material that is packed around the pattern and then the pattern is removed to leave the cavity where the casting material will be poured.

• Material de modelatge: El material que s'empaqueta al voltant del patró i llavors el patró es treu per marxar de la cavitat on s'abocarà el material de càsting.
• Flask: The rigid wood or metal frame that holds the molding material.

• Ampolla: El marc de fusta o metall rígid que té el material de modelatge.
  • Cope: The top half of the pattern, flask, mold, or core.

Capa pluvial DE **: La primera meitat del patró, ampolla, floridura, o cor.

• • Drag: The bottom half of the pattern, flask, mold, or core.

Obstacle DE **: La meitat inferior del patró, ampolla, floridura, o cor.

• Core: An insert in the mold that produces internal features in the casting, such as holes.

• Cor: Una inserció en la floridura que produeix trets interns en el càsting, com forats.
  • Core print: The region added to the pattern, core, or mold used to locate and support the core.

Impressió Bàsica de **: Se sumava La regió al patró, el cor, o floridura solia localitzar i donar suport al cor.

• Mold cavity: The combined open area of the molding material and core, there the metal is poured to produce the casting.

• Cavitat de floridura: L'àrea oberta combinada del material de modelatge i cor, allà el metall és abocat produir el càsting.
• Riser: An extra void in the mold that fills with molten material to compensate for shrinkage during solidification.

• Contrapetja: Un buit extra en la floridura que s'omple amb material fos per compensar l'encongiment durant solidificació.
• Gating system: The network of connected channels that deliver the molten material to the mold cavities.

• Sistema que Gating: La xarxa de canals connexos que reparteixen el material fos a les cavitats de floridura.
  • Pouring cup or pouring basin: The part of the gating system that receives the molten material from the pouring vessel.

• • que Aboca copa o pica que cau: La part del sistema que gating que rep el material fos del vaixell que cau.
  • Sprue: The pouring cup attaches to the sprue, which is the vertical part of the gating system. The other end of the sprue attaches to the runners.

Esprue DE **: La copa que cau s'enganxa a l'esprue, que és la part vertical del sistema que gating. L'altre final de l'esprue s'enganxa als corredors.

• • Runners: The horizontal portion of the gating system that connects the sprues to the gates.

Corredors de **: La porció horitzontal del sistema que gating que connecta les esprues a les portes.

• • Gates: The controlled entrances from the runners into the mold cavities.

Portes de **: Les entrades controlades des dels corredors a les cavitats de floridura.

• Vents: Additional channels that provide an escape for gases generated during the pour.

• Respiradors: Els canals addicionals que proporcionen una escapada per gasos generaven durant l'abocar.
• Parting line or parting surface: The interface between the cope and drag halves of the mold, flask, or pattern.

• Separant línia o separant superfície: La interfície entre les meitats de capa pluvial i obstacle de la floridura, ampolla, o patró.
• Draft: The taper on the casting or pattern that allow it to be withdrawn from the mold

• Esborrany: La transició de sortida en el càsting o patró que el deixa ser retirat de la floridura
• Core box: The mold or die used to produce the cores.

• Caixa bàsica: La floridura o mor utilitzat per produir els cors.

Simulació de Procés de Càsting

A high-performance software for the simulation of casting processes provides opportunities for an interactive or automated evaluation of results (here, for example, of mold filling and solidification, porosity and flow characteristics).

thumb|Un programari d'actuació alta per a la simulació de processos de càsting proporciona oportunitats per una avaluació interactiva o automatitzada de resultats (aquí, per exemple, de característiques de farcit de floridura i solidificació, porositat i flux). Casting process simulation uses numerical methods to calculate cast component quality considering mold filling, solidification and cooling, and provides a quantitative prediction of casting mechanical properties, thermal stresses and distortion. Simulation accurately describes a cast component’s quality up-front before production starts. The casting rigging can be designed with respect to the required component properties. This has benefits beyond a reduction in pre-production sampling, as the precise layout of the complete casting system also leads to energy, material, and tooling savings.

La simulació de procés de càsting utilitza mètodes numèrics per calcular qualitat de component de càsting que considera que la floridura s'ompli, solidificació i refredament, i proporciona una predicció quantitativa de llençar propietats mecàniques, estressos tèrmics i distorsió. La simulació acuradament descriu la qualitat de component a un càsting a la bestreta abans que la producció comenci. L'aparell de càsting pot ser dissenyat respecte a les propietats de component exigides. Això té beneficis més enllà d'una reducció en mostreig preproducció, mentre la disposició precisa del sistema de càsting complet també condueix a energia, material, i estalvis d'utillatge.

The software supports the user in component design, the determination of melting practice and casting methoding through to pattern and mold making, heat treatment, and finishing. This saves costs along the entire casting manufacturing route.

El programari sosté l'usuari en disseny de component, la determinació de pràctica de fusió i methoding de càsting per a patró i floridura que fa, tractament de calor, i acabament. Això salva costos al llarg del sencer que llencen ruta de fabricació.

Casting process simulation was initially developed at universities starting from the early '70s, mainly in Europe and in the U.S., and is regarded as the most important innovation in casting technology over the last 50 years. Since the late '80s, commercial programs are available which make it possible for foundries to gain new insight into what is happening inside the mold or die during the casting process.

La simulació de procés de càsting es desenvolupava inicialment a engegada d'universitats des dels primers anys 70, principalment a Europa i als EUA, i és considerat com la innovació més important en la tecnologia de càsting durant els 50 darrers anys. Des dels últims anys 80, els programes comercials estan disponibles que fan possible que les foneries guanyin idea nova del que està passant dins de la floridura o moren durant el procés de càsting.

Some specialized processes, such as die casting, use additional terminology.

Alguns processos especialitzats, com fosa a pressió, utilitzen terminologia addicional.

Veure també

• Bronze sculpture

• Escultura de BRONZE
• Flexible mold

• Floridura flexible
• Porosity sealing

• Segellant la POROSITAT
• Spin casting

• LlenÇANT LA GIRAVOLTA
• Spray forming

• Formant l'esprai

Referències

Bibliografia

• Blair, Malcolm & Stevens, Thomas L. (1995), Steel castings handbook (6th ed.), ASM International, ISBN 9780871705563, <http://books.google.com/books?id=QG3_QqmPZ_AC>

• Steel castings handbook. 6è. ASM International, 1995. ISBN 9780871705563. 
• Degarmo, E. Paul; Black, J T. & Kohser, Ronald A. (2003), Materials and Processes in Manufacturing (9th ed.), Wiley, ISBN 0-471-65653-4.

• Materials and Processes in Manufacturing. 9è. Wiley, 2003. ISBN 0-471-65653-4. .
• Kalpakjian, Serope & Schmid, Steven (2006), Manufacturing Engineering and Technology (5th ed.), Pearson, ISBN 0-13-148965-8.

• Manufacturing Engineering and Technology. 5è. Pearson, 2006. ISBN 0-13-148965-8. .
• Kissell, J. Randolph & Ferry, Robert L. (2002), Aluminum structures: a guide to their specifications and design (2nd ed.), John Wiley and Sons, ISBN 9780471019657, <http://books.google.com/books?id=NJh8Y9bV-hEC>

• Aluminum structures: a guide to their specifications and design. 2n. John Wiley and Sons, 2002. ISBN 9780471019657. 
• Schleg, Frederick P.; Kohloff, Frederick H. & Sylvia, J. Gerin et al. (2003), Technology of Metalcasting, American Foundry Society, ISBN 9780874332575.

• Technology of Metalcasting. American Foundry Society, 2003. ISBN 9780874332575. .
• Stefanescu, Doru Michael (2008), Science and Engineering of Casting Solidification (2nd ed.), Springer, ISBN 9780387746098, <http://books.google.com/books?id=JVTJi30phCwC>.

• Science and Engineering of Casting Solidification. 2n. Springer, 2008. ISBN 9780387746098. .
• Ravi, B (2010), Metal Casting: Computer-aided Design and Analysis (1st ed.), PHI, ISBN 81-203-2726-8, <http://books.google.com/books?id=d_A2o4YXfUAC>.

• Metal Casting: Computer-aided Design and Analysis. 1r. PHI, 2010. ISBN 81-203-2726-8. .

enllaços Externs

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Fosa (metal·lúrgia)

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Fosa (metal·lúrgia)

• Interactive casting design/manufacturing examples

• [exemples de disseny/fabricació de càsting Interactiu de http://www.sfsa.org/tutorials/]
• Castings or Forgings? A look at the advantages of each manufacturing process

• [Càstings de http://www.sfsa.org/sfsa/pubs/cvf/ecs.html o Forges? Un aspecte als avantatges de cada procés de fabricació]
• Umha Aois - Bronze Age casting videoclip

• Umha Aois - videoclip de càsting d'edat del bronze
• Viking Bronze - Early Medieval metal casting

• [Bronze de Víking de http://web.comhem.se/vikingbronze/ - llençant el Primer metall Medieval]
• Video clip of a 50 gram arc cast alloy solidifying

• [Videoclip de http://www.ameslab.gov/mpc/video d'una lliga de càsting d'arc de gram de 50 que se solidifica]
• Glossary of Metalcasting Terms

• [Glossari de http://www.metalcastingdesign.com/content/view/107/189/ de Metalcasting Qualifica]
• DoITPoMS Teaching and Learning Package- "Casting"

• [els http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/casting/index.php DoItpoMs Que Ensenyen i Que S'Assabenten Empaqueten- " Càsting "]