UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN
CURSO : FUNDICION Y MOLDE MOLDEO O –
-
Ing.. SIL Ing SILV VA ARCE DANIEL 2012
Diseño de montante La función del montante (riser) es prevenir que el encogimiento ocurra en la pieza fundida, sino que ocurra en el montante mismo, para lograrlo debe proveer de material líquido a las zonas de la pieza que están solidificando, por lo tanto, el material contenido en el montante, debe ser el último en solidificar, para ello, es necesario tener algunas consideraciones en su diseño, como: •Tamaño del montante •Alcance del montante En la siguiente tabla se muestra el porcentaje de encogimiento que experimentan metales al pasar del estado líquido al sólido: Tabla 1: Contracción por solidificación para aceros de fundición.
Metal
Porcentaje de contracción en solidificación
Acero al carbono
2,5-3
Fundición gris
2,5
Fundición blanca
4-5,5
Cobre
4,9
70%Cu-30%Zn
4,5
90%Cu-10%Al
4
Aluminio
6,6
Al-4,5%Cu
6,3
Al-12%Si
3,8
Magnesio
4,2
Zinc
6,5
VOLUMEN Y DIMENCIONAMIENTO DEL RISER
Se tiene los siguientes Métodos para piezas de acero u una especial para fundición gris 2.- Método de NRL (BISHOP) 3.- Método WLODAWER 4.- Metodo para fundicion gris
1.- Método de CAINE Esta basado en basado en las experimentación y puede ser aplicable a todos los metales y aleaciones se basa en la Regla de CHVORINOV que dice que el tiempo de solidificación de una pieza esta gobernado por la relación (VOLUMNE / AREA)2 mediante el uso de la Hipérbola a x = -------- + c y - b a.- Es una constante característica de la solidificación b.- es la contracción de la solidificación liquido solido c.- es la velocidad relativa de solidificación del riser y la pieza x.- relación de solidificación y.- volumen del riser / volumen de la pieza
Tama ño del montante
Como el montante debe proveer metal líquido a la pieza que esta solidificando, este tiene que tener material necesario para suplir las contracciones que experimenta la pieza por cambio de fase (sólido a líquido), algunos métodos que calculan el tamaño del montante son los siguientes:
Curvas de montante para aceros El tamaño del montante es determinado por dos valores: Primero, el tiempo de solidificación del montante debe exceder al de la fundición, y segundo, el montante debe suplir suficiente metal para compensar la contracción. Caine ha evaluado estos requerimientos y para que sean prácticos de usar, los graficó:
.
Figura 4: Curva de diseño de montante para fundición de acero al 0.3% C y una ecuación básica usada para calcular las dimensiones del montante. b) Curva de montante ara hierro dúctil. La región entre las curvas es el área más eficiente, produciendo una pieza totalmente sana.; Montantes ciegos de moldes de arena verde.
Figura 6.- Curva de Caine, para el Diseño de Risers de piezas fundidas de acero de 0.3 %C. 14
Figura 6..- Curva de Caine, para el Diseño de Risers de piezas fundidas de fundición nodular (3.6 %Ctotal y 2.5 %Si). La región achurada es el área más eficiente.
15
Curvas de Caine: - Acero de hasta 0.50 %C: x =
0.10 y − 0.03
+
1.00
- Acero de 0.50 %C a 1.00 %C: x =
0.12 y − 0.05
+
1.00
- Aleaciones de aluminio: x =
0.10 y − 0.06
+
1.08 16
De la figura anterior, la abscisa representa la relación de tiempo de solidificación de un montante de fundición, el que corresponde a:
A c Relación de solidificación =
A Donde:
r
V c V r
Área de pieza (casting). Volumen de pieza. Área de montante (riser). Volumen de montante. Este índice debe ser mayor a 1:1 para obtener una pieza sana. El razonamiento de Caine es que el calor disipado es una función de la superficie de la fundición, mientras que el calor contenido es función del volumen. La ordenada representa la razón de volumen del montante y pieza. Aquí esta considerado el postulado de que el montante debe proveer metal liquido para suplementar el encogimiento por cambio de fase en la pieza, el cual es aproximadamente 3% del volumen del acero, pero sin embargo, el tamaño del montante, debe ser mayor al 3% del volumen de la pieza.
Por ejemplo, una barra de dimensiones 10x10x0.1in , tiene un índice A/V de:
100+100+ 4 × (10× 0.1) 10×10× 0.1
=
20.4
3 Esta pieza se encoje , 0 .3in sin embargo, si se usa un montante cúbico de lado 0.5 in, se tiene
un índice A/V del montante:
A
=
0.5× 0.5× 6
V 0.5× 0.5× 0.5
=
12
Por lo tanto, se tiene que: Razón solidificación=1.7
V r
0.125 = 0.012 V c 10 =
De la Figura 4, se desprende que bajo las condiciones del ejemplo, el tamaño del montante es insuficiente, ya que se ubica en la parte izquierda de la curva. Como se puede ver de la Figura 4, en el diseño del montante influyen el tamaño y forma de la pieza. Un ejemplo que cumple las consideraciones de diseño, puede ser, un cubo de lado 4in, el cual tiene un bajo índice A/V : A 96 =
V 64
=
1.5
Si se usa un montante cilíndrico de diámetro 4.5 in y altura 4.5 in, se tiene que: Ar
=
6
=
1.33
r
Razón solidificación=1.5/1.33=1.7 V r
V c
=
71.5 =1.11 64
Del grafico se puede ver, que el ejemplo anterior produce una pieza sana. Para mejorar el rendimiento del montante, se puede usar enfriadores, los cuales incrementan la efectividad del área de enfriamiento en un factor cinco.
2.- Mé Méto todo do NRL
(BISHO (BI SHOP) P)
Fue desarrollado en el NAVAL RESEARCH LABORATORY, que dice que para para obtener el mínimo tamaño tamaño del riser cilíndrico capaz capaz de alimentar piezas piezas cuyas c uyas formas geométricas son CUBOS, BARRAS y PLACAS echas de acero Usa el concepto de FACTOR FORMA (FF)
L+ W S = ------------T
L.L.- long longit itud ud W.- ancho T.- espesor espesor de la sección sección considerada
Méto tod do de NR NRL L (N (Naaval Re Ressea earc rchL hLab abor orat ato ory ry)) Después de muchos años del uso del método de Caine, el grupo de NRL trabajó en un nuevo y simplificado proceso ( Figuras 4, 5 y 6 ) el cual tiene la ventaja de eliminar errores de cálculo, ya que no es necesario realizar el tedioso cálculo de A/V para piezas complejas, sino que se reemplaza por el factor de forma : FF = (L+W)/T
Donde: L= Largo W= Ancho T= Espesor Estas corresponden a las dimensiones de la pieza pieza principal de colada, la que corresponde corresponde a la de mayor mayor tamaño. . Estas dimensiones dimension es se toman usando las dimensiones dimensione s patrones de la pieza. Por ejemplo, ejemplo, si una pieza tiene muchos apéndices pequeños, estos no se cuentan en el calculo de FF, FF, pero si en el de volumen de la pieza.
Las piezas complejas son combinaciones de barras y placas de diferente tamaño: Barra Bar ra – Pla Placa, ca, Pl Placa aca – Pla Placa, ca, Bar Barra ra – Bar Barra ra,, Pla Placa ca - bar barra ra
El método NRL se puede entender a través del siguiente simple ejemplo: Para calcular las dimensiones del montante mas economico para una fundición de acero de dimensiones 5x10x2 in, se tienen que seguir los siguientes pasos: 1.- Factor de forma: (L+W)/T=(10+5)/2=7.5
2.- De la Figura 5 se tiene que para un factor de forma de 7.5, la razón de volúmenes es 0.55 (Vr/Vc) y dado que, la pieza tiene un volumen de 100, el volumen del montante es:
3
V r = 0.55 ×100in
=
3
55in
Dimensiones del montante: 3 55 in De la Figura 6 se obtiene que las dimensiones para un montante (cilíndrico)
de volumen Diámetro: 4.5in Altura : 3.5in
, son:
FIGURA 4: CURVAS DE MONTANTE PARA ACERO (APROX. 0.2% C A 0.5% C).
FIGURA 6: GRAFICO DE CONVERSIÓN DE VOLUMEN DE MONTANTE REQUERIDO A DIMENSIONES DE ESTE.
FIGURA 5 PIEZA PARASITA
T PLACA PARASITA T BARRA PRINCIPAL
=
2 4
=
0.5
Volumen usado en los cálculos : V C
=
Y + 0.85 X
Figura .- Gráfico de la N.R.L., para el Diseño de Risers de secciones irregulares. 58 67
69
7339
3.- Método WLODAWER Desarrollado por Robert Wlodawer basado en la Regla de CHVORINOV extendido a consideraciones sistemáticas sobre materiales exotérmicos, rellenos, enfriadores y otras ayudas para lograr una solidificación direccional El método consiste en determinar el Modelo de enfriamiento según la relación de Chvorinov
V M = -----A
M.- modulo de solidificación V.- volumen de la pieza A.- área superficial de enfriamiento de la pieza
Si la pieza es de diseño complejo se puede dividir las formas básicas calculando el valor de M siendo ignorado las superficies de contacto
Si la pieza es de diseño complejo se puede dividir las formas básicas calculando el valor de M siendo ignorado las superficies de contacto
Si la pieza es de diseño complejo se puede dividir las formas básicas calculando el valor de M siendo ignorado las superficies de contacto
Si la pieza es de diseño complejo se puede dividir las formas básicas calculando el valor de M siendo ignorado las superficies de contacto
Se parte del principio de que las piezas con igual valor del modulo solidifican en el mismo tiempo independientemente de la forma geométrica que ellos tengan
Muchas de las piezas son barras las cuales pueden estar en forma de anillo si se considera como semi infinita se puede considerar
Para los aceros la cavidad máxima de rechupe es de aproximadamente 14 % y se toma : Mr > 1,2 Mc siendo Mr modulo del riser y Mc modulo de la pieza =
Los principios que se basa Wlodawer para calcular el volumen de los risers son: 1.- El Mr = 1,2 Mc
Ts riser = 1,5 Ts casting
2.- El vértice del rechupe cónico parabólico no se extenderá hasta alcanzar la pieza su profundidad máxima permisible será de d = 0,8 H En riser abierto V rechupe = 14 % V riser En riser cie os V rechu e = 17 % V riser En riser semi esféricos V rechupe = 20 % V riser El rechupe o contracción total (S) depende de la temperatura de vaciado del metal Ejemplo: calcular el % de contracción de un acero al manganeso vaciado a la temperatura de 1450 ªC desarrollar el ejercicio utilizando la tabla y demás complementos
La influencia de los elementos aleantes sobre la contracción también fue investigado, pero desafortunadamente sólo para 1,600 °C; en la Tabla 5 se dan estos valores, que pueden asumirse válidos para otras temperaturas. Tabla 5 Elemento aleante W Ni Mn Cr Si Al
%Contracción por cada 1 %aleante - 0.5300 - 0.0354 + 0.0585 + 0.1200 + 1.0300 + 1.7000 49
EJEMPLO: Calcular el %contracción de un acero al Mn, vaciado a la temperatura de 1,450 °C. Tabla 6 Composición 1.50 %C 15.00 %Mn 0.30 %Si 1.25 %Cr
Factor de contracción x % aleante %Contracción De la Figura 55 + 5.00 + 0.0585 x 15.00 + 0.88 + 1.0300 x 0.30 + 0.31 + 0.1200 x 1.25 + 0.15 %Contracción total + 6.34 ~ 6.50
Se ha aproximado la contracción a 6.5%; en vista de que los valores de la Tabla 6, están dados para 1,600 °C. 50
El volumen de la cavidad del rechupe esta dado por: V RECHUPE =
Siendo :
S
100
×
(V PIEZA + V RISER )
S = contracción total del acero, en %.
Para riser cilíndricos : V RECHUPE = 0.14 V RISER
51
Igualando las 02 últimas relaciones, tenemos : S
100
×
(V PIEZA
S V PIEZA
V PIEZA
=
=
+
0.14 V
100 S
V PIEZA
V RISER ) = 0.14 V RISER
=
×
−
S V RISER
V RISER (0.14 −
V RISER
×
14 − S S
S
100
)
Por lo tanto, el volumen máximo de una pieza que puede ser alimentado por un riser cilíndrico, será: V Máximo de Pieza
=
V RISER ×
14 − S S
Para risers semi-es ricos, ser : V Máximo de Pieza
=
V RISER ×
20 − S S
53
Alcance de montante
Como se ha dicho anteriormente, el montante debe proveer de metal líquido para suplir la contracción por cambio de fase, y dado que este metal debe fluir hasta la zona de contracción, en ese trayecto va perdiendo calor, disminuyendo su temperatura, lo que produce que el montante tenga un alcance limitado, el cual es determinado empíricamente. Para barras y placas el alcance se muestra en las siguientes figuras: Figura 7: Alcance de alimentación para barras.
Figura 8: Alcance de alimentación para placas. • De las figuras se puede ver, que el montante tiene un alcance, en el cual la pieza colada se producirá sana, sin defectos por rechupe, y que, dado la perdida de calor por el molde, en los bordes de la pieza que están en contacto con la pared del molde, hay una zona en la cual no sufre problemas, porque es la primera en solidificar. Para piezas de grandes dimensiones, se debe aumentar la cantidad de montantes hasta que estos alimenten toda la ieza.
El volumen maximo de una pieza que puede ser alimentado por un cilindro sera
Determinación de la altura efectiva de llenado (Hef)- La Hef varía o permanece constante de acuerdo al siateraa de alimentación. Considerando: H = altura de llenado B = altura que oe llena C = altura total a llenar- tenemos los siguientes sistemas de aliaentación: ■i .
||
en la fig.66:- a) La Hef desde el inicio hasta la línea de partición, en la'porción (C - B) , eerá.r Hef = H b) La Hef en el fin de la colada, en la porción (B), admi-tiendo la velocidad delmetal cte en el transcurso del vaciado, para una altura efectiva arriba del nivel de: la línea de partición, cte e igual a B Hef » H = ---2 La altura efectiva promedio de llenado, será:
CARGA PARA CONTRARRESTAR EL EMPUJE METALOSTÁTICO CUANDO NO HAY MACHO Si el área superficial A esta dada por (fig 2a ): A = (B) (C) Entonces: Fm = (B) (C) (y) (H) Y la carga total sera: Fy=1.5 [(B)(C)(y)(H)] - W o (4) El espesor de la pieza no ejerce ninguna influencia sobre la fuerza ascensiona 2.Carga Para Contrarrestar el Empuje Metalostático Cuando hay Macho Estando dada la sección transversal A por (fig 2b): A = (B) (C) El empuje metalostático es; Fm = (B) (C) (y) (H) La fuerza ascensional de! macho esta dado por: Fe = Ve (y - yc) (5) Donde: Ve = volumen del macho yc peso específico del macho, yc = 2 000 Kg/m3 y peso específico del metal líquido. Finalmente se obtiene: Fy= 1.5 (Fm + Fc) - Wo (6) Fig. 2. Empuje metalostático de! metal líquido
EJEMPLO PRACTICO
Se desea colar una placa plana de latón rojo de las siguientes dimensiones: largo = 105 cm ancho = 60 cm alto = 0.8 cm la altura metalostática es de 20 cm. Determinar la carga total para contrarrestar e! empuje del metal. Considerar ei peso del latón líquido y = 8.1 gm/cm 3 Solución: Puesto que las dimensiones transversales de la placa son 105 cm x 60 cm, se elige una caja con sección transversal: 115 cm x 75 cm. El volumen de esta caja con una altura de 20 cm será: Vo = (115 m) (0.75 m) (0.20 m) = 0.1725 m3 Y su eso será: W o = Vo y0 = 0.1725 m3 ( 1500 Kg/m3) = 258.75 Kg Wo = 260 Kg El área de ¡a piaca es: A = (105m)(0.60m) = 0.63m 2 Siendo el empuje metalostátíco: Fm = A y H = (O.p m2) (8100 Kg/m3) (0.20 m) Fm = 1020.6 Kg = 1021 Kg Debiéndose colocar una carga: Fy = 1.5(Fm)-Wo= 1.5 (1021)-260 Fy = 1271 Kg Si e! peso del metal colado es: Wp = (1.05 m) (0.6 m) (0.008 m) (8100 Kg/m3) Wp = 41 Kg La carga deberá ser: 1271 Kg = 31 veces el peso del metal colado 41 Kg
•MANGUITOS AISLANTES. KALMIN. En la colada del fierro y del acero no siempre es conveniente emplear materiales exotérmicos, ya que se puede producir el desprendimiento de humos u una reacción con el metal. Desarrollado para evitar estos inconvenientes, KALMIN promueve una alimentación tan eficiente como un manguito exotérmico, ya que presenta una alta eficiencia de aislamiento térmico, evitando en primer lugar la solidificación del metal que entra en contacto con el manguito fabricado de este material. Esta característica hace que el KALMIN sea aplicable asimismo en mazarotas de pequeñas dimensiones. Las ventajas que presenta son: •bajo desprendimiento de gases. •Bajo peso y fácil manipulación. •Excelentes condiciones de almacenaje, puesto que no son higroscópicos. •Alta permeabilidad. Está disponible en insertos y cilindros abiertos.
Tabla 15. Manguitos Aislantes Tipo Inserto KALMIN TH. Tipo
Øi
(mm)
Øe
Øa
(mm)
(mm)
H (mm)
T (mm)
Peso máximo de la sección a
Peso
Modu-
ser alimentada (en Kg) para
metal
lo(cm)
una para una contracción de:
liquido (Kg)
5%
6%
7%
8%
9%
3.5x5 K
34
52
33
50
6
0.88
1.3
1.1
0.9
0.8
0.7
0.2
4x7K
40
61
41
72
8
0.99
2.7
2.3
1.9
1.7
1.5
0.4
5x8K
49
70
41
82
10
1.33
5.7
4.8
4.1
3.6
3.2
0.9
6x9K
60
81
46
96
8
1.64
9.7
8.1
7.0
6.1
5.4
1.5
7x10 K
70
92
47
100
10
1.83
14.1
12.8
10.1
8.8
7.8
2.1
8x11 K
79
102
62
111
10
2.11
19.9
16.6
14.2
12.4
11.1
--
9x12 K
90
111
67
121
10
2.35
28.6
23.9
20.5
17.9
15.9
4.3
10x13K
99
125
78
130
10
2.58
35.2
29.4
25.2
23.0
19.1
5.3
12x15K
118
150
94
149
13
3.08
61,2
51.0
43.7
38.2
34.0
9.3
18x25K
180
229
--
265
15
4.88
258.6
215.5
184.7
131.6
143.6
39.2
Manguito aislante tipo inserto manguito aislante sin macho estrangulador: KALMIN TH con macho estrangulador: KALMIN TH BA. con macho estrangulador: KALMIN TH B.
Manguito cilíndrico abierto
