DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA INDUSTRIAL PROCESOS DE FABRICACIÓN CLASE 1
TEMÁTICA 1: FUNDAMENTOS DE LA FUNDICIÓN El proceso de fundición consta de estos pasos básicos: (a) se vacía metal fundido en un molde con la forma de la parte a manufacturar, (b) se deja solidificar, y (c) se retira la parte del molde. Los siguientes son factores que es importante considerar en las operaciones de fundición: El flujo del metal fundido dentro de la cavidad del molde. La solidificación y el enfriamiento del metal dentro del molde. La influencia del tipo de material del molde.
1. Solidificación de metales: 1.1. Metales puros: Debido a que un metal puro tiene un punto de fusión (o de solidificación) claramente definido, se solidifica a una temperatura constante. Durante el proceso de solidificación ocurre una disminución del volumen específico ( o un aumento de la densidad del fluido) y durante el enfriamiento ocurre una contracción del sólido.
En las paredes del molde, que se encuentran a la temperatura ambiente, o al menos mucho más frías que el metal fundido, el metal se enfría con rapidez y produce una capa superficial solidificada, o cáscara, de finos granos equiaxiales. Conforme la fuerza impulsora de la transferencia de calor se reduce, alejándose de las paredes, los granos se vuelven columnares y gruesos.
1.2. Aleaciones La solidificación en las aleaciones comienza cuando la temperatura desciende por debajo del liquidus (TL) y termina cuando alcanza el solidus, (TS).
En este intervalo de temperaturas, la aleación se encuentra en un estado blando o pastoso que consiste en dendritas columnares. El ancho de la zona pastosa es un factor importante durante la solidificación y se define como:
Para las aleaciones, un rango de solidificación corto por lo común comprende una diferencia de temperatura de menos de 50 °C (90 °F), y un rango de solidificación largo, más de 110 °C (200 °F). En general, las fundiciones ferrosas tienen zonas pastosas estrechas, mientras que en las aleaciones de aluminio y de magnesio dichas zonas son amplias.
1.3. Velocidades de enfriamiento:1 Las velocidades de enfriamiento bajas, o los tiempos locales de solidificación largos, producen estructuras dendríticas gruesas con un gran espaciamiento entre los brazos de las dendritas. Si las velocidades de enfriamiento son mayores (del orden de 104 K/s) o los tiempos locales de solidificación cortos, la estructura se vuelve más fina, con un espaciamiento menor entre los brazos de las dendritas. Para velocidades de enfriamiento superiores (desde 106 hasta 108 K/s) las estructuras que se desarrollan son amorfas.
1.4. Relaciones estructura-propiedad Leer y explicar
2. Flujo del fluido
El metal fundido se vacía a través de una copa de vaciado; después fluye a través del sistema de alimentación (bebedero, canales de alimentación y compuertas) dentro de la cavidad del molde. El bebedero es un canal cónico vertical por donde el metal fundido fluye hacia abajo, dentro del molde. Los canales de alimentación lo llevan desde el bebedero al interior de la cavidad del molde, o conectan el bebedero a la compuerta (la parte del canal de alimentación por la que el metal fundido entra en la cavidad del molde). Las mazarotas (también llamadas alimentadores) sirven como depósitos de metal fundido para proveer el metal necesario y evitar la porosidad debida a la contracción durante la solidificación.
Existen dos principios básicos fundamentales en el diseño de los canales de alimentación: el teorema de Bernoulli y la ley de continuidad de la masa. Teorema de bernoulli:
Continuidad de la masa:
Diseño del bebedero: Si se asume como un sección cónica donde no hay pérdidas por fricción y las presiones a la entrada y la salida son aproximadamente iguales, se obtiene la relación:
Velocidad de flujo en el canal de alimentación, depreciando las pérdidas: A una altura x:
Una vez determinada la velocidad del fluido, se puede encontrar el régimen de flujo mediante el cálculo del número de Reynolds:
3. Fluidez del metal fundido A la capacidad del metal fundido para llenar las cavidades del molde se le llama fluidez , que consta de dos factores básicos: (1) las características del metal fundido y (2) los parámetros de fundición. Las siguientes características del metal fundido afectan la fluidez: Viscosidad Tensión superficial Patrón de solidificación de la aleación Inclusiones Diseño del molde Material del molde y sus características superficiales Grado de sobrecalentamiento Velocidad de vaciado Transferencia de calor
4. Transferencia de calor 4.1. Tiempo de solidificación El tiempo de solidificación está en función del volumen de una fundición y de su área superficial ( regla de Chvorinov):
donde C es una constante que refleja (a) el material del molde, (b) las propiedades del metal (incluyendo el calor latente) y (c) la temperatura. El parámetro n tiene un valor de entre 1.5 y 2, pero por lo general se considera 2.
En la figura 10.11 se muestran los efectos de la geometría del molde y el tiempo transcurrido sobre la forma y el espesor de la capa superficial. Como se ilustra, el metal fundido no solidificado se ha vaciado del molde a diferentes intervalos de tiempo, que van de cinco segundos a seis minutos. Obsérvese que (como se esperaba) el
espesor de la capa superficial aumenta con el tiempo transcurrido y la capa es más delgada en los ángulos internos (punto A de la figura) que en los externos (punto B).
4.2. Contracción Debido a sus características de dilatación térmica, los metales en general se contraen (comprimen) durante la solidificación y se enfrían a la temperatura ambiente. La contracción, que provoca cambios dimensionales y (algunas veces) agrietamiento, es el resultado de tres eventos consecutivos:
La contracción del metal fundido al enfriarse antes de solidificar. La contracción del metal durante el cambio de fase de líquido a sólido (calor latente de fusión). La contracción del metal solidificado (la fundición) conforme su temperatura se reduce a la temperatura ambiente. (Dada por el coeficiente de expansión volumétrica)
4.3. Defectos Los tipos de defectos que pueden ocurrir en una fundición son: Proyecciones metálicas: Cavidades Discontinuidades Superficies defectuosas Fundición incompleta Dimensiones o formas incorrectas Inclusiones
4.4. Porosidades La porosidad en una fundición puede ser ocasionada por contracción, gases, o por ambos. Se pueden desarrollar regiones porosas debido a la contracción del metal solidificado. Las secciones delgadas de una fundición se solidifican antes que las regiones gruesas; en consecuencia, el metal fundido fluye dentro de las regiones más gruesas que aún no se han solidificado. Las regiones porosas se pueden desarrollar en la parte central debido a la
contracción, ya que la región más gruesa comienza a solidificarse primero. También puede desarrollarse microporosidad cuando el metal líquido se solidifica y contrae entre las dendritas y entre sus ramas.
La porosidad es dañina para la ductilidad de una fundición y para su acabado superficial, haciéndola permeable y, por lo tanto, afectando la hermeticidad de recipientes presurizados producidos por fundido. La porosidad ocasionada por la contracción se puede reducir o eliminar por los siguientes medios:
Debe suministrarse la cantidad adecuada de metal líquido para evitar las cavidades ocasionadas por la contracción. Los enfriadores internos o externos, como los utilizados en la fundición en arena, también son un medio efectivo de reducir la porosidad por contracción. Su función consiste en aumentar la velocidad de solidificación en las regiones críticas. En general, los enfriadores internos se fabrican con el mismo material que la fundición y se dejan dentro de ella. Sin embargo, pueden surgir problemas relativos a la fusión apropiada de los enfriadores internos con la fundición; por ello, los talleres de fundición suelen evitar el uso de dichos enfriadores. Los enfriadores externos pueden ser del mismo material o ser de hierro, cobre o grafito. En las aleaciones, la porosidad se puede reducir o eliminar haciendo más pronunciado el gradiente de temperatura. Por ejemplo, es posible utilizar materiales para moldes que tienen una mayor conductividad térmica. Otro método para reducir la porosidad consiste en someter la fundición a un prensado isostático en caliente.
En cuanto a las porosidades por gases, estas se pueden evitar al retirar los gases del metal fundido mediante el lavado o purgado, con un gas inerte, o fundiendo y vaciando el metal al vacío. Si el gas disuelto es oxígeno, el metal fundido se puede desoxidar. En general, el acero se desoxida con materiales de aluminio, silicio, aleaciones a base de cobre con cobre fosforoso, titanio y zirconio.
