PROCESOS DE MANUFACTURA
SEGUNDA UNIDAD
FUNDICIÓN DE METALES 1. Fundición de metales, características del proceso, etapas y operaciones. 2. Fusión y procedimientos de colada. Solidificación y alimentación de fundiciones. 3. Diseño de mazarotas ING. ROLANDO PORTUGAL
OBJETIVOS DE LA UNIDAD • Identificar los fenómenos de fusión y solidificación de metales y su relación con las propiedades del componente • Identificar las etapas de obtención de un producto por fundición. • Calcular el tiempo de llenado del molde y el empuje metalostático ejercido. • Calcular los requerimientos de alimentación de una pieza fundida. • Identificar los principales procesos de fundición en moldes desechables y en moldes permanentes. • Analizar los principales defectos de una pieza fundida, sus causas y las medidas preventivas
LECTURAS ASIGNADAS Groover M.: Fundamentos de manufactura moderna, 3ª edición, 2007 • • •
Groover, secc. 4.1: Propiedades volumétricas y de fusión (p. 68) Groover, secc. 4.2: Propiedades térmicas (p. 70) Groover secc. 6.2.2: Producción del hierro y el acero (p. 98)
Groover, cap. 10: Fundamentos de la fundición de metales (pp. 194 a 213) Groover, cap. 11: Procesos de fundición de metales (pp. 214 a 246)
PROCESOS DE MANUFACTURA
SEGUNDA UNIDAD
FUNDAMENTOS DE LA PRODUCCIÓN POR FUNDICIÓN
LECTURAS ASIGNADAS
Groover M.: Fundamentos de manufactura moderna, 3ª edición, 2007 • • •
Groover, secc. 4.1: Propiedades volumétricas y de fusión (p. 68) Groover, secc. 4.2: Propiedades térmicas (p. 70) Groover secc. 6.2.2: Producción del hierro y el acero (p. 98)
Groover, cap. 10: Fundamentos de la fundición de metales (pp. 194 a 213)
Ventajas del proceso de fundición • La fundición puede producir formas complejas con cavidades internas o con secciones huecas. • Puede producir piezas muy grandes. • Puede utilizar materiales para la pieza de trabajo que serían difíciles o no económicos de procesar utilizando otros métodos. • La fundición es competitiva en comparación con otros procesos.
Desventajas del proceso de fundición Desventajas asociadas a la fundición y sus diferentes métodos Limitaciones en las propiedades mecánicas y presencia de porosidad en las piezas. Baja precisión dimensional y deficiente acabado superficial de algunos procesos, como la fundición en arena. Riesgos en la seguridad de los trabajadores debido a la elevada temperatura de fusión de algunos metales. Problemas de contaminación ambiental en la mayoría de los procesos.
10.1 PANORAMA DE LA TECNOLOGÍA DE LA FUNDICIÓN
Tipos de Fundición: (1) Molde desechable, (2) Molde permanente
Molde de arena
Molde metálico (acero o hierro fundido) Ref. Groover, Fig.11.10
Clasificación: (1) Fundición de lingotes, (2) fundición de formas
Etapas del proceso de fundición:
Etapas del proceso de fundición en arena (Fuente: Groover Fig.11.2)
Molde sin caja (flaskless molding)
Modelos para la elaboración de moldes El modelo (o plantilla) de fundición es un dispositivo cuya función es imprimir en un molde la forma de la pieza que se quiere obtener.
Modelo de madera
Cajas de corazones o machos Placa modelo
10.1.2 Moldes para fundición en arena Consta de las operaciones siguientes: • Preparación del puesto de trabajo, las herramientas y los materiales. • Llenado de las cajas y compactación de la arena. • Extracción del modelo del molde. • Operaciones de acabado y limpieza de la cavidad del molde. • Montaje de los machos y control de calidad del molde. • Ensamble del molde y preparación para el vertido.
Proceso de fundición en molde de arena
10.2 CALENTAMIENTO Y VERTIDO
HORNOS DE FUNDICIÓN La fusión del metal para fabricar las piezas fundidas, se realiza en hornos de fundición. Estos pueden tener distinta forma y, en general, operan bajo principios diferentes. Así se puede establecer una clasificación de los usados en la fundición, considerando los factores siguientes: Básicos a) Tipo de revestimiento: Ácidos
Combustible b) Fuente de energía: Eléctricos
Cualquier tipo de horno
Sólido : h. crisol Líquido : h. llama Gas : h. cubilote Arco eléctrico Inducción Resistencia
HORNOS DE FUNDICIÓN
Cubilote Hierro fundido H. eléctrico
c) Tipo de aleación a fundir
Acero
Arco eléctrico Inducción
h. de arco h. de inducción
Aleaciones no-ferrosas
h. de inducción h. resistencia eléctrica h. de crisol
Tipo de energía Química Combustible sólido
Horno Cubilote
Aplicación Hierro colado, a veces aleaciones de cobre Acero
Combustible granular (cisco) Combustible líquido
Horno de hogar abierto (Siemens Martin) Horno rotatorio
Hierro colado, acero, aleaciones de cobre, metales ligeros Metales y aleaciones no ferrosas
Combustible gaseoso (gas) Eléctrica Arco
Inducción
Resistencia
Horno de crisol (de gas o petróleo) Acero, hierro colado Horno de arco Directo Indirecto Horno de inducción De alta frecuencia De baja frecuencia Horno de resistencia
Acero, hierro colado Cobre, aleaciones de aluminio Acero aleado, a veces hierro colado y aleaciones de aluminio y de cobre.
Ref. Alting: Procesos para Ingeniería de manufactura. Alfaomega, 1990, Tabla 10.2 Clasificación de algunos de los hornos industriales de fusión más usados, p. 285
10.2.1 CALENTAMIENTO DEL METAL (p. 199) Calor requerido por el metal: H La energía calorífica requerida para calentar el material en el horno corresponde a la suma de: Hc : Calor de calentamiento para elevar la temperatura del metal sólido T 0, hasta la temperatura de fusión Tm hf : Calor de fusión o calor latente para convertir el metal sólido en líquido Hs : Calor de sobrecalentamiento para elevar la temperatura del metal líquido hasta la temperatura de colada Tp
H = calor requerido para llevar el metal hasta la temperatura de colada: Hc + Hf + Hs
H V (10.1)
C T s
m
T0 h f Cl T p Tm
donde Cs y Cl es el calor específico del metal (Btu/lbm.ºF; J/g. ºC)
La expresión (10.1) presenta varias limitaciones debidas principalmente a las siguientes condiciones: 1)El calor específico y otras propiedades térmicas del metal sólido varían con la temperatura, especialmente cuando el metal experimenta variaciones alotrópicas con la temperatura y, en muchos casos, no se dispone de los valores requeridos para una aleación particular. 2)En fundición se emplean comúnmente aleaciones, cuyo intervalo de fusión hace difícil determinar el calor de fusión. 3)La carga de los hornos incluye adicionalmente otros componentes como fundentes o compuestos de refinación. 4)Durante el proceso hay considerables pérdidas de calor que suelen ser tenidas en cuenta a través del rendimiento térmico del horno, concepto empleado frecuentemente en los hornos eléctricos.
Rendimiento térmico del horno:
Donde: H = calor teórico requerido Hhorno = calor entregado por el horno
H H horno
Calor por unidad de unidad de masa, Btu/lb
CALENTAMIENTO DEL METAL
Aplicable solo para metales puros y aleaciones eutécticas: h = hc + hf + hs (Btu/lb)
10.2.2 Vertido del metal fundido (p.200) (Pouring)
Pouring
10.2.3 Análisis de ingeniería (p. 200) Teorema de Bernoulli El teorema de Bernoulli toma en cuenta el principio de la conservación de la energía y relaciona la energía de presión, la energía de velocidad y la energía de posición del fluido en cualquier lugar del sistema, asimismo las pérdidas por fricción en el sistema cuando está lleno de líquido, según la ecuación siguiente: 2
2
p1 v1 p 2 v2 h1 h2 hf 2g 1 2g Donde;
(10.2)
= g = peso específico hf = pérdidas entre los puntos 1 y 2
(Nota: la forma en que aparece en el texto de Groover difiere en la forma de expresar las pérdidas)
Dadas las siguientes condiciones: Si se desprecian las pérdidas: hf = 0 ; (la fricción en el ducto es cero, lo cual no es cierto) Si el sistema permanece a presión atmosférica p1 = p2 Si el punto 2 se toma como referencia h2 = 0 La velocidad en el punto 1 despreciable v1 = 0 La ecuación (10.2) se simplifica a: 2
v2 h1 2g
h1 h2 = 0
De esta ecuación podemos encontrar (aproximadamente) la velocidad del metal líquido en la base del bebedero (sin fricción):
v2 2gh1
(10.4)
v1 = 0
Si se consideran las pérdidas entre los puntos 1 y 2 : hf = hpérdidas Si el sistema permanece a presión atmosférica: p1 = p2 Si el punto 2 se toma como referencia: h2 = 0 La velocidad en el punto 1 muy pequeña v1 0 La ecuación (10.2) se simplifica a: 2 v h1 2 h pérdidas 2g Obteniéndose la velocidad del metal líquido en la base del bebedero (con fricción):
v2 2 g (h1 h pérdidas )
Concepto de coeficiente de descarga CD Flujo por un orificio en la pared de un tanque Cv = coeficiente de velocidad Cv
velocidad _ real velocidad _ teórica
Cc = coeficiente de contracción Cc
área _ chorro _ vena _ contracta área _ orificio
CD = coeficiente de descarga
El caudal real viene dado por: Q vr * A Cv * v * Cc * A0 Cv * Cc * A0 * 2 gh C D * A0 * 2 gh
Q C D . A0 . 2 gH
(8)
Figura 1. Líneas de corriente en la descarga de un chorro desde un depósito por un orificio. Do = diámetro del orificio, Dvc = diámetro de la vena contracta La expresión (8) es válida únicamente para colada superior
Ley de Continuidad (p. 201) La Ley de continuidad de masa establece que para líquidos no compresibles y en un sistema con paredes impermeables, la velocidad de flujo (Q = caudal) es constante.
Q v1 A1 v 2 A2
(10.5)
Procedimientos de vaciado del molde a) Llenado por arriba o directo b) Llenado por la base o fondo c) Llenado lateral
(a)
(b)
Factores que afectan el llenado del molde: Temperatura de colada Velocidad de la colada Turbulencia : (1) acelera la formación de óxidos, (2) erosión del molde
Cálculo del Tiempo de llenado del molde a) Llenado por arriba: b) Llenado por el fondo:
t
V V Q Ae 2 ght
t
2 Am [ ht ht hm ] Ae 2 g
c) Llenado lateral: expresiones (a) y (b)
(c)
(10.6)
PROBLEMA Se debe colar un paralelepípedo rectangular de 500 mm por 250 mm de base y 160 mm de altura, empleando un ataque de sección rectangular de 40 mm de ancho por 20 mm de espesor, conectado a un bebedero cuya altura total por encima de este ataque es de 160 mm. Determinar el tiempo de llenado del paralelepípedo despreciando el volumen del sistema de conductos y asumiendo que no existen pérdidas: a) Para la condición de ataque superior b) Para la condición de ataque por el fondo.
SISTEMA DE CONDUCTOS DE COLADA, TÍPICO
(Pouring System)
Casting gating system
Objetivos del sistema 1. Dirigir el metal dentro del molde con un llenado completo y rápido 2. Reducir o prevenir la agitación o turbulencia. 3. Prevenir la aspiración de aire o gases en el flujo de metal. 4. Prevenir la presencia de impurezas, inclusiones, escorias, etc., separando o reflotando materiales extraños. 5. Distribuir el metal fundido con los menores obstáculos a fin de reducir la erosión del material del molde y machos y las consecuentes inclusiones de arena. 6. Lograr adecuadas gradientes térmicas para la correcta solidificación direccional y minimizar la distorsión. 7. Obtener formas con el mínimo costo de corte y amolado. 8. Proveer facilidad de colada con equipo convencional.
RELACIÓN DE COLADA Sb : S c : S a Donde Sb es el área de la sección transversal de la base del bebedero, Sc es la sección total del canal y Sa la sección total de los ataques. Para un sistema con un bebedero de 9 cm2, un canal de 6 cm2 y dos ataques de 1,5 cm2 cada uno. Determine la relación de colada de la fundición. Formas típicas Sb Sc Sa
SISTEMAS A PRESIÓN Y SISTEMAS SIN PRESIÓN Los sistemas a presión permiten mantener el sistema de conductos siempre lleno de metal, y cuando se emplean varios ataques de la misma sección el flujo es aproximadamente el mismo en todos ellos. Estas características hacen que, para un valor de flujo dado, este sistema de conductos sea de un volumen menor, mejorando el rendimiento de la fundición. Los inconvenientes de los sistemas a presión se originan en las relativamente altas velocidades que pueden establecerse, las cuales producen fuerte turbulencia, borboteo del metal y erosión de las paredes del molde. Los sistemas sin presión establecen velocidades más bajas que los sistemas a presión, reduciendo así la turbulencia y el borboteo del metal al ingresar a la cavidad del molde, pero con ataques de igual sección se establece un flujo desigual a través de ellos. La energía cinética tiende a llevar el metal hasta los ataques más alejados y se hace necesario ir reduciendo la sección del canal después de cada ataque. Estos sistemas requieren mayores secciones de bebederos y ataques y por consiguiente son usualmente de mayor volumen que los sistemas a presión para un mismo caudal, lo que tiende a disminuir el rendimiento de la fundición.
10.2.4 Fluidez (p. 202) La fluidez es la capacidad del metal fundido para llenar el molde antes de enfriarse. La fluidez es la inversa de la viscosidad. Factores que afectan la fluidez: Temperatura de colada. Composición del metal (metal puro vs aleación sólida). Viscosidad del metal líquido. Calor transferido a los alrededores.
Ensayo de fluidez Se han desarrollado varios ensayos para medir el valor de la fluidez, sin embargo ninguno es aceptado universalmente. Un ensayo de la fluidez consiste en un molde en espiral sobre el cual se vierte metal líquido, la distancia recorrida por el metal sobre el canal espiral hasta antes de la solidificación determina la fluidez del metal (Índice de fluidez).
10.3 Solidificación y enfriamiento (p. 203) Temas a tratar: Solidificación de los metales Tiempo de solidificación Contracción Solidificación direccional
10.3.1 SOLIDIFICACIÓN DE LOS METALES (p.203) Cuando se vacía una fundición en un molde frío, el metal en contacto con éste se solidifica en forma de granos finos prácticamente equiaxiales (de dimensiones casi iguales en todas las direcciones), ya que las velocidades de enfriamiento son elevadas. El calor latente de fusión, liberado durante la solidificación, disminuye la velocidad de solidificación, y el curso de la solidificación posterior depende del tipo de aleación que se cuele.
SOLIDIFICACIÓN DE LOS METALES Modelos de solidificación correspondiente a metales puros y aleaciones sólidas
(Zona blanda)
Referencia Schey J., p. 190
Esquemas de estructuras fundidas de metales
Ilustración esquemática de tres estructuras fundidas de metales solidificados en un molde cuadrado: (a) metales puros; (b) aleaciones de solución sólida; y (c) estructura obtenida utilizando agentes de nucleación.
SOLIDIFICACIÓN DE LOS METALES Metales puros y aleaciones eutécticas
Fin de solidificación
FIG.10.4 Curva de enfriamiento de metales puros y aleaciones eutécticas durante la fundición
Groover M. p. 203
Fig. 10.5 Estructura cristalina del metal puro
Aleaciones sólidas
Fin de solidificación
Fig: 10.6 a) Diagrama de fase para un sistema de aleación cobre-niquel y b) Curva de enfriamiento correspondiente a la aleación Ni-Cu con una composición 50-50%, durante la fundición Groover M. p. 204 Estructura cristalina propia de la aleación común
TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL MOLDE 10.3.2 Tiempo de solidificación (p. 206)
Relación de Chvoriniv: t=
V A
2
(10.7)
V = volumen de la pieza fundida A = área de enfriamiento de la pieza = constante del molde ejemplo : Para acero en molde de arena verde: = 2,14 min/cm2 La relación V/A se conoce como módulo de enfriamiento: Módulo de enfriamiento: M = V/A y el tiempo de solidificación se puede expresar como: t =
M2
Aplicación de la regla de Chvorinov Espesor de pared sólida ”d” después de transcurridos un tiempo “t”: Sin considerar efecto de extremos o cambios de sección, podemos aplicar la relación de Chvorinov como:
V A
t De donde:
d A
molde
2
A.d A
2
.d 2
t
Metal líquido
d 0 t
Tiempo
A modo de ejemplo, observe la formación de la pared sólida conforme transcurre el tiempo.
PROBLEMA 9 Para la colada de un anillo de 800 mm de diámetro exterior , 640 mm de diámetro interior y 160 mm de altura se empleará un sistema de conductos de colada de relación 1,5:1,2:1 con dos ataques iguales diametralmente opuestos, ubicados a la mitad de la altura del anillo y un bebedero de sección circular cuyo diámetro en la base es de 40 mm. Para la alimentación adecuada del anillo se han previsto cinco mazarotas superiores, abiertas, igualmente espaciadas, de 160 mm de diámetro y 160 mm de altura, cuyo borde superior se encuentra a la misma altura de la cazuela de colada. Determinar el tiempo de llenado del molde despreciando el sistema de conductos. Si el anillo solidifica en 15 minutos, ¿Cuánto tiempo tardarán en solidificar las mazarotas?. B =800
Relaciones : 2
3 1
B 4
5
t 2 Mf
tm M m
2
10.3.3 CONTRACCIÓN La contracción causa cambios dimensionales y algunas veces agrietamiento. Se establece tres tipos de contracción: Contracción líquida(Cl ), Contracción de solidificación ( Cs) y Contracción sólida (Cso)
Tabla 10.1 Contracción volumétrica para diferentes metales
Según FLINT,T. se trata de una “contracción técnica” que depende de: Tamaño de la pieza Dilatación del metal Cesión de la arena Gases desprendidos
Figura 2. variación del volumen específico del hierro y de dos aleaciones ferrosas en función de la temperatura.
PROBLEMA El gráfico de la Figura 2 muestra la variación del volumen específico del hierro y de dos aleaciones ferrosas en función de la temperatura. A partir de esta información se pide: a)Determinar la contracción volumétrica de solidificación en porcentaje del volumen inicial de líquido para cada una de las tres composiciones. b)Determinar la contracción volumétrica del sólido desde la temperatura de solidificación hasta la temperatura ambiente para cada una de las tres composiciones. SOLUCIÓN Para Fe y 0,80% C:
Cs
0,1375 0.1425 0,035 0.1425
Cso
0,1276 0.1375 0,072 0.1375
ó Cs = 3,5%
ó Cso = 7,2%
10.3.4 SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL
Referencia: SYLVIA Gerin J. CAST METALS TECHNOLOGY, Addison_Wesley, London, 1972 (cap. 7, p. 142)
ENFRIADORES (CHILL)
Figure 10.14. Various types of (a) internal and (b) external chills (dark areas at corners) used in casting to eliminate porosity caused by shrinkage. Chills are placed in regions where there is a larger volume of metal, as shown in (c).
Distancia máxima que puede alimentar una mazarota en piezas de sección variable
Efecto de la utilización de enfriadores
10.3.5 Diseño de las Mazarotas Temas a tratar: Alimentación de las fundiciones Mazarotas, tipos Diseño de las mazarotas: Método del Módulo
MAZAROTAS Las cavidades de contracción (shrinkage cavity) en las fundiciones no son tolerables y debe adoptarse alguna forma para evitar que se produzcan en el interior de las piezas. Esto se logra adosando un depósito de reserva de metal líquido, conocido como mazarota (feeder heads or riser), que suministra material a la pieza fundida para compensar la contracción volumétrica que ocurre durante su solidificación. Libre
Aislante
Mezcla exotérmica Cerámica refractaria
solidificación prematura
Óxido de hierro con polvo de aluminio
metal líquido al molde
al molde
al molde
Ilustración esquemática de las mazarotas
Casting riser types
MAZAROTAS: Clasificación Se distingue dos tipos de mazarotas según la posición relativa de estas respecto de la pieza fundida. Así: Mazarotas: (1) superior (top riser) o (2) lateral (side riser). Mazarotas: (1) abiertas (open type) o (2) ciegas (blind type) Mazarotas: (1) normales o (2) con manguitos aislantes.
Diseño de las mazarotas 1. 2. 3.
Ubicación de la mazarota Forma de las mazarota Dimensiones de la mazarota
Determinación de las dimensiones: Métodos Método de la circunferencia inscrita HEUVER’S CIRCLE METHOD Método de Caine Método de N.R.L. Método del Módulo
DETERMINACIÓN DEL MAZAROTADO Considerando la pieza fundida
Mm
y la mazarota como elementos
Mf
independientes:
1. Condición del tiempo de solidificación: (a) Para mazarotas normales: Mm2 Mf2
t m tf ó M m Mf
Como condición mínima para acero se encuentra experimentalmente que: Mm 1,2 Mf
b) Para mazarotas con manguitos aislantes (insulated riser) Cuando se empleen manguitos aislantes se deberá disponer de la información suministrada por los fabricantes sobre las características de estos manguitos. Una de las formas consiste en especificar el factor de extensión del módulo, módulo e, que relaciona los módulos de la mazarota normal y la mazarota con manguito aislante que solidifica en el mismo tiempo que la mazarota normal: e
Mn Ma
Mn Ma e
Donde: Mn = módulo de la mazarota normal Ma = módulo de la mazarota con manguito aislante e = factor de extension del módulo (MEF)
Mazarota normal : t = Mn2 Mazarota con manguito : ta = a Ma2 Ambas deben alimentar satisfactoriamente la pieza fundida: t = ta De donde; Mn a Ma
e
a
2. Condición de distancia efectiva Una mazarota sólo puede ejercer su acción hasta una cierta medida a partir de su borde. Esta distancia se conoce como distancia efectiva de alimentación y para un material dado depende principalmente de las proporciones de la sección y del espesor T del elemento alimentado B
B
B
D
B
E
T T= espesor de la sección; B = distancia efectiva; E = efecto de extremo
Condición de distancia efectiva de alimentación
Distancia de alimentación de una mazarota (a) superior y (b) lateral
Distancia de alimentación de la mazarota
3. Condición de entrega volumétrica La mazarota debe suministrar suficiente metal líquido para compensar la contracción volumétrica de la pieza fundida. En consecuencia, el volumen de la cavidad de contracción de la mazarota debe ser igual o menor que la máxima entrega de metal que puede suministrar la mazarota. Si se define como eficiencia de la mazarota, , la relación: = Vol. metal disponible para la alimentación(V )/Vol mazarota (Vm) se deberá tener: V = Cs (Vf + Vm) .Vm Referencias: [1] Taylor, H. F. M. C. Flemings y J. Wulff: Fundición para ingenieros, Cecsa, México, 1962. [2] Wlodawer, R.:Directional Solidification of steel castings, pergamon, London, 1966.
ta =a Ma
2
Tiempo de solidificación (min)
mazarotas con manguitos aislantes
n Co
m
Es
it o u g an
5 0,
in
n Si
m
pe so r
ito u g an
Diámetro mazarota
Insulating sleeves
Manguitos aislantes (Insulating Riser Sleeves)
Insulating riser sleeves are made from ceramic fiber, available in a variety of forms including open, oval, neck-downs, domed etc, used in all type of castings.
These are Insulating type of sleeves available in various standard sizes
PROBLEMA 12 Se debe obtener por fundición un anillo de acero de 286 mm de diámetro exterior, 186 m de diámetro interior y 25 mm de altura. El sistema de conductos de colada a emplear constituye el 10 % del peso del anillo. La contracción volumétrica de solidificación del metal a considerar es del 3%. Se pide: a)Calcular su mazarotado, empleando mazarotas cilíndricas de altura igual al diámetro, el correspondiente rendimiento de la fundición , considerando que: (1) el módulo de las mazarotas debe ser por lo menos 20 % mayor que el del anillo; 2) la distancia efectiva de alimentación de una mazarota es por lo menos 2 veces el espesor T del elemento que alimenta; y 3) la eficiencia de una mazarota es de 20 %. b)Si se desea mejorar el rendimiento de colada empleando mazarotas aisladas, de altura igual al diámetro, cuyo factor de extensión es de 1,5 y cuya máxima entrega volumétrica es de 30%, determinar las nuevas dimensiones de las mazarotas a emplear y comparar los rendimientos de colada en ambos casos.
D
SP
H
25 186 286
Disposición del molde para la colada
SOLUCIÓN (a) Cálculo del mazarotado Dimensiones generales del anillo: L = Lm = dm = (236) 741 mm W = (286 – 186)/2 = 50 mm T = 25 mm Debe cumplirse que: L > W > T Un paralelepípedo rectangular es placa o barra si: Barra :W≤5T Placa :W>5T Para el anillo en cuestión; W < 5 T ; por tanto se trata de una barra. Cálculo de los módulos Determinación simplificada del módulo: El anillo es una barra, por tanto, su módulo aproximado es:
Mf
W .T 50 x 25 8,3mm 2(W T ) 2(50 25)
Módulo de la mazarota cilíndrica superior, de H=D:
Mm
D.H D D 4H 5
Por condición (1): Mm = 1,20 Mf D/5 = 1,20x8,3 mm D = 49,8 mm 50 mm Distancia a alimentar por las mazarotas: longitud media del anillo Lm = 741 mm Se supone que todas las mazarotas son iguales y que están dispuestas sobre la circunferencia media del anillo. Distancia efectiva de alimentación de una mazarota: De condición (2): B = 2T (también del gráfico B vs. T) Se observa que el diámetro de la mazarota es igual al ancho del anillo, esto es D = 50 mm = W; por tanto la conexión de las mazarotas al anillo será sobre un cuello de 50 mm.
De las consideraciones anteriores; Número de mazarotas requeridas:
Lm 741 n 4,94 2 B 2 2 x 25 50 Es decir, n = 5 mazarotas, igualmente espaciadas sobre la circunferencia media del anillo. B =50
2
3 1
B 4
5
Nos falta verificar la capacidad de entrega volumétrica de cada mazarota; esto es; de condición (3): Debe cumplirse que:
.Vm Cs .
Vf n
Cs .Vm
Donde; = 20% y Cs = 3.0% (datos del problema) Vm = 0,25 (5,0)^3 = 98,17 cm3 Vf = (WxT)xLm = (5x2,5)x74,1 926,25 cm3 También;
V f 28,6^ 2 18,6^ 2 x 2,5 926,77cm3 4
Reemplazando valores;
Vm 0,20 98,17 19,6cm3 Vf 926,77 Cs Vm 0,03 98,17 8,5cm3 5 5 Observamos que cada mazarota es capaz de entregar hasta 19,6 cm3 y que la contracción total de la porción a alimentar es apenas 8,5 cm3, por tanto , es satisfactoria la mazarota y todas ellas que se encargan de alimentar cada una la quinta parte del anillo. Finalmente; Usar cinco mazarotas de H=D = 50 mm, igualmente espaciadas sobre la circunferencia media del anillo
Determinación del rendimiento de la fundición:
Vf Vt
Vf V f Vcc nVm
1 98,17 1,10 5 926,77
0,61
o sea, = 61 %
(b) Diseño de las mazarotas aisladas, con FEM de e = 1,5 Del concepto de factor de extensión del módulo: e = Mn/Ma =(D/5)/(Da/5) De donde; Da =D/1,5 = 50/1,5 33 mm = Ha N = Número de mazarotas requeridas:
n
Lm 741 741 5,6 2 B 2 2 x 25 33 133
Es decir, N = 6 mazarotas, Da=Ha = 33 mm, igualmente espaciadas sobre la circunferencia media del anillo. Verificando la capacidad de entrega de cada mazarota:
Vf .Va Cs . Va N Va
3,3 3 28,2 _ cm3 4
.Va 0,30 x 28,2 8,5 _ cm3 Vf 926,77 Va 0,03 * 28,2 5,5cm3 8,5 _ cm3 6 6
C s
Finalmente; Usar seis mazarotas de Ha=Da = 33 mm, igualmente espaciadas sobre la circunferencia media del anillo
Determinación del rendimiento de la fundición con mazarotas aisladas:
a
Vf Vt
Vf V f Vcc nVm
1 28,2 1,10 6 926,77
0,78
o sea, a = 78 % Es decir, se ha incrementado significativamente el rendimiento de colada de 61% a 78% (c) Suponiendo que el costo de fundir y colar una tonelada de metal en la planta es de $75,00; Determinar la economía en el costo, en $/tonelada de pieza obtenida, debido al empleo de las mazarotas aisladas. 1 1 ton _ fddas $ 1 $ 1 * 75 * 75 26,80 ton _ fddas 0,61 0,78 ton _ pieza a ton _ pieza
Costo
Resumen
H V Cs Tm T0 h f Cl T p Tm 2
(10.1)
2
p v p v h1 1 1 h2 2 2 h f 2g 1 2g 2
(10.2)
2
v v h1 1 h2 2 2g 1 2g
(10.3)
v 2 gh
(10.4)
Q v1. A1 v2 . A2
(10.5)
t
V Q
t .
(10.6)
V A
2
(10.7)
DETERMINACIÓN SIMPLIFICADA DEL MÓDULO Muchas formas de piezas fundidas pueden ser asimiladas a elementos sencillos cuyo módulo se determina en forma simplificada evitando así cálculos extensos y engorrosos. A continuación se presentan algunos casos de aplicación frecuente en el curso. a) Cubo de lado D, cilindro y esfera inscritos Cubo
Cilindro
Esfera
D3
D3/4
D3/8
Área
6 D2
D2
Módulo
D/6
D2/2 + D2 D/6
Volumen
b) Cilindro de diámetro D y altura H
D2 H D.H 4 M D2 2D 4H DH 2
D/6
c) Cilindro considerado con una base sin enfriamiento. Caso de mazarotas superiores
M
D.H D 4H
d) Barras de gran longitud (L >> W). Se desprecia el área de los extremos
T
L W
M
W .T 2 W T
e) Anillos cerrados. Se consideran como barras curvadas uniformemente Sección W x T
M
W .T Área _ sec ción _ transversal 2W T Perímetro _ de _ la _ sec ción
T
f) Placas extensas (W ≥ 5 T). Se desprecia el área de los bordes
S
M
S .T T 2.S 2
CORRECCIÓN DE MODELOS EMPUJE METALOSTÁTICO
MODELOS PARA FUNDICIÓN Se llama modelo (o también plantilla) de fundición, a un dispositivo que tiene la función de imprimir en un molde la forma de la pieza que se quiere obtener. Los modelos y además las placas modelo, cajas de machos, (dispositivos de función similar a los modelos), plantillas, etc. se fabrican en un departamento especial del taller de fundición llamado taller de modelería (plantillería)
Exigencias de un buen modelo de fundición 1)Asegurar la obtención de la pieza de forma y dimensiones adecuadas. 2)Poseer alta resistencia y durabilidad. 3)Ser ligeros y de fácil elaboración. 4)Deben ser de fácil obtención y de bajo costo 5)Deben ser poco sensible a los cambios de forma y dimensiones bajo la acción de los agentes atmosféricos.
Materiales empleados en fabricación de los modelos 1)Madera, para la producción unitaria y en pequeños lotes de piezas. 2)Metálicos, para cientos o miles de piezas. Tienen mayor costo pero son más duraderos. 3)Cemento, Yeso, y 4)Materiales orgánicos como la resina, el poliestireno y los plásticos superligeros (poliespuma) que se emplean para fabricar modelos gasificables.
Modelos de madera En la mayoría de las fundiciones que poseen bajo grado de mecanización se utilizan normalmente modelos de madera, debido a una serie de ventajas entre las que se pueden citar: Bajo costo Facilidad de elaboración Poco peso La desventaja fundamental de la madera es la tendencia a absorber la humedad (higroscopicidad), lo que produce la deformación de ella. Por esta razón, la madera destinada a la fabricación de modelos se debe someter a procesos de secado especiales, después de lo cual se debe impregnar con alguna sustancia que limite al mínimo la absorción de humedad.
Exigencias tecnológicas de los modelos Superficie de división 1. Corrección por contracción Los metales en estado sólido poseen generalmente menor volumen que en estado líquido, o sea, la inmensa mayoría de los metales se contraen a medida que se enfrían. Debido a esto, el modelo debe tener dimensiones que excedan a las de la pieza en una magnitud igual a la contracción sólida del metal (Cso, desde fin de solidificación a la temperatura ambiente). Así llamamos contracción lineal a la disminución porcentual de las dimensiones lineales de las piezas, en relación con las dimensiones correspondientes del modelo según el cual se fabricó la pieza.
l
l mod elo l pieza l pieza
* 100%
CORECCIONES DE LOS MODELOS DE FUNDICIÓN VALORES MEDIOS DE CONTRACCIÓN LINEAL DE ALGUNAS ALEACIONES (tomadas de: E. Capello, Tecnología de la fundición)
DIMENSIONES DEL MODELO ALEACIÓN
Fundición gris
Piezas macizas (mm)
Piezas con machos (mm)
CONTRACCIÓN (mm/m)
hasta 600 de 630 a 1200 más de 1200
hasta 600 de 630 a 920 más de 920
10 8,5 7
hasta 450 de 480 a 1200 de 1200 a 1675 más de1675
20 15,5 13 11
Acero hasta 600 de 630 a 1800 más de 1800 Bronce (10% Sn)
14
Aluminio y aleaciones hasta 1200 de 1120 a 1800
hasta 600 de 630 a 1200 más de 1200
13 - 15 12 – 13 11 – 12
2. Corrección por mecanizado Para las superficies de una pieza fundida que requieren mecanizado posterior, debe preverse cierto exceso de material, lo que se toma en cuenta al fabricar el modelo de la pieza. El exceso de material depende de: a)Tipo de producción ( en serie, unitaria) b)Magnitud de la pieza. c)Método de fundición d)Tipo de aleación.
SOBREESPESORES TÍPICOS PARA MECANIZADO (Tomados de: L.E. Doyle y otros, Materiales y procesos de manufactura para ingenieros)
En superficies exteriores En superficies interiores y agujeros
Fierro fundido (mm)
Acero (mm)
Latón, bronce y aluminio (mm)
2,5
3
1,5
3
5
2,5
Nota: Para superficies coladas en moldes de arena con dimensiones de hasta 300 mm
3. Corrección por ángulo de salida La superficie de trabajo del modelo debe tener una cierta inclinación que facilite la extracción del mismo, del molde y los machos de la caja de machos. La inclinación se mide en relación con la vertical o mediante el ángulo formado por la pared de la pieza con la vertical. Esta corrección depende de la técnica de moldeo y de la suavidad y grado de acabado del molde; así por ejemplo, en el moldeo manual empleando modelos de madera la inclinación de las superficies exteriores puede variar de 3º a 5º, de acuerdo a la calidad del modelo y en el moldeo en cáscara empleando modelos de material ferroso puede variar de 0,25º a 1º. Se recomienda emplear una mayor inclinación de salida para las superficies interiores que para las exteriores.
Línea de partición
(a) Modelo sin corrección, (b) Con corrección
PROBLEMA Para anillo de Acero de 286 mm de diámetro exterior, 186 mm de diámetro interior y 25 mm de altura, determine las dimensiones del modelo para llevar a cabo la operación de moldeo del mismo. SOLUCIÓN En este caso debemos hacer dos correcciones al modelo: por mecanizado y por contracción Primero, hacemos la corrección por mecanizado. Según tabla: para el acero: superficies exteriores m = 3 mm ; agujeros m = 5 mm Diámetro exterior: 286 +3 +3 = 292 mm Diámetro interior : 186 - 5 - 5 = 176 mm Espesor: 25 + 3 + 3 = 31 mm Luego, debemos corregir por contracción : Lmodelo = (1 + l ) Lf De tabla; l = 20/1000 = 0,02 Dimensiones del modelo: Diámetro exterior: (1 + 0,02)*292 = 297,84 mm 298 mm Diámetro interior : (1 + 0,02)*176 = 179,52 mm 180 mm Espesor: (1 + 0,02)*31 = 31,62 mm 32 mm ¿Ángulo de salida?
EMPUJE METALOSTÁTICO SEGURIDAD DEL MOLDE A LA PRESIÓN DEL METAL FUNDIDO Puesto que un líquido dentro de un recipiente ejerce una presión en todas las direcciones, el molde debe ser lo suficiente resistente para soportar esta presión. La manifestación más característica de este fenómeno es la denominada presión metalostática (o empuje metalostático), que es la presión que ejerce el metal fundido sobre el semimolde superior (cope) intentando levantarla. Si el molde contiene machos, la presión contra el semimolde superior se ve aumentada también por la presión del macho. Los machos verticales lisos, es decir, machos con cantos rectos o machos tronco-cónicos apoyados en su base mayor no producen ningún impulso ascensional si están apoyados sobre la portada o en el fondo del molde y nada del metal fundido puede pasar por debajo de ellos. En oposición a esta presión total actúa el peso del semimolde superior.
Fundición de una placa
Cuando las superficies transversales del molde son planas Presión total = Presión sobre el área de la superficie superior del molde Fuerza estática total: Fe = .A.h Fuerza dinámica total: Fd = Fe + f*Fe Donde: = peso específica del metal fundido, A = superficie superior del molde, h = altura de la columna de líquido sobre la superficie, y f = factor por cantidad de movimiento del metal dentro del molde (hasta 50%).
Peso a adicionar para la apertura del molde de arena o fuerza de cierre del molde metálico Wadicionar = Fdinámica – Wsemimolde superior
Operación de colada mostrando un peso adicional sobre el molde de arena
Fundición de un Cono D*L
V Cope D Fe = Componentes Drag verticales Cuando las superficies transversales del molde no son planas Fuerza estática total : Fe = * V Fuerza dinámica total: Fd = Fe + f*Fe
V = volumen por encima de la cavidad del molde
Fundición de un cilindro y el efecto del empuje del macho: F = Vmacho
Fuerza tota estática total: Fe = Fuerza sobre la superficie superior del molde + efecto del macho Fe = .V + ( - arena).Vmacho Donde V = volumen sobre la superficie superior de la cavidad del molde. (En caso de secciones circulares, hay que considerar como superficie la proyección sobre el diámetro)
PROBLEMA 10 Para la fundición de un cilindro hueco de diámetro exterior d2 = 220 mm, diámetro interior d1 = 160 mm y longitud l = 250 mm se ha confeccionado un molde con la disposición que se muestra en la figura. La densidad del metal a fundir es de 7,2 g/cm3 y la de la arena del macho es de 2 g/cm3. el peso de la parte superior del molde es de 50 kp y la altura de la cazuela de colada sobre la superficie de partición es h = 152 mm. Determinar, en caso de ser necesario, el peso con que habrá que cargar el molde para evitar su apertura al momento de la colada, considerando un exceso del 50% por cantidad de movimiento.
Práctica de fundición
HORNOS ELÉCTRICOS
Horno eléctrico de inducción
Horno eléctrico de arco indirecto
Horno eléctrico de arco directo
HORNOS DE CRISOL
Figura 11.19 (Groover)- Tres tipos hornos de crisol (crucible furnaces) (a) Crisol móvil; (b) crisol estacionario; (c) crisol basculante
Figura 11.21(Groover)- Cucharas de colada: (a) cuchara para grúa; (b) para dos personas
Generalmente, el crisol se construye de grafito aglomerado con arcilla refractaria o de fundición gris perlítica de grano fino, como se especifica a continuación: 3% de C grafítico; 0,5% de C combinado; 0,5% de Mn; (2 a 2,5)% de Si; 0,4% de P; <0,12% de S. Éstos últimos son más económicos, pero el metal fundido en ellos se contamina lenta y continuamente con el hiero del crisol. Sin embargo, esta contaminación puede ser evitada o minimizada si el crisol es recubierto con una mezcla conteniendo por ejemplo: 50% de arcilla, 45% de agua, 5% de vidrio.
Horno de crisol tipo basculante
Ventajas: •Alta flexibilidad •Bajo costo de instalación •Versatilidad para el cambio de aleaciones •Utilizan un tipo de energía económica •Su operación no requiere de mano de obra calificada
Horno de crisol tipo basculante
Desventajas: •No son adecuados para un buen control de temperatura especialmente los que utilizan combustibles. •Debido a que la transferencia de calor hacia el metal a fundir es por conducción a través de las paredes del crisol, esto los hace lentos al calentar. •El reemplazo periódico del crisol incrementa los costos de fusión.
Forma de extracción del crisol de un horno estacionario
10.2.2 Vertido del metal fundido (Pouring)
Teorema de Bernoulli 2
2
p1 v1 p2 v2 h1 h2 H g 2 g g 2 g p1/g v12/2g
H
x
h1
v1
2
x
h2
v2
Ecuación de Bernoulli en régimen permanente, sin fricción y resistencias que absorban energías
hf
p1/g
p2/g v22/2g
2
p1 v1 p2 v2 h1 h2 hf g 2 g g 2 g
p2/g
v12/2g
H1
x
v1
h1
H2
v22/2g x
h2
Ecuación de Bernoulli en régimen permanente, con fricción y resistencias que absorben energías: hf = H1 – H2
(Expresa la conservación de energía)
v2
Si se desprecian las pérdidas: hf = 0 ; (la fricción en el ducto es cero, lo cual no es cierto) Si el sistema permanece a presión atmosférica p1 = p2 Si el punto 2 se toma como referencia h2 = 0 La velocidad en el punto 1 despreciable v1 = 0 La ecuación (10.2) se simplifica a: 2
v2 h1 2g
Con esta ecuación podemos encontrar (aproximadamente) la velocidad del metal líquido en la base del bebedero (sin fricción):
v2 2gh1
(10.4)
Si se consideran las pérdidas entre los puntos 1 y 2 : hf = hpérdidas Si el sistema permanece a presión atmosférica: p1 = p2 Si el punto 2 se toma como referencia: h2 = 0 La velocidad en el punto 1 muy pequeña v1 = 0 La ecuación (10.2) se simplifica a: 2 v h1 2 h pérdidas 2g Obteniéndose la velocidad del metal líquido en la base del bebedero (con fricción):
v2 2 g (h1 h pérdidas )
Concepto de coeficiente de descarga CD Flujo por un orificio en la pared de un tanque
Figura 1. Líneas de corriente en la descarga de un chorro desde un depósito por un orificio. Do = diámetro del orificio, Dvc = diámetro de la vena contracta
Concepto de coeficiente de descarga CD
Figura 2. Chorro descargado a través de un orificio Aplicando la ecuación de Bernoulli entre los puntos 1 y 2, tenemos: 2
2
v1 p v p 1 z1 2 2 z 2 2g 2g
(1)
Para el caso de la Figura 2; p1 = p2= patmosférica v1 muy pequeña 0 z1 – z2 = H Se está considerando condiciones ideales, esto es sin pérdidas por fricción. Con esto, la ecuación queda como: 2 v2 (2) H v2 2 gH 2g La expresión (2) proporciona únicamente la velocidad teórica, ya que se desprecian las pérdidas entre los dos puntos. El cociente entre la velocidad real, vr, y la teórica, v, recibe el nombre de coeficiente de velocidad Cv, es decir: v (3) Cv r v Y por tanto;
v2 r Cv 2 gH
(4)
La descarga real, Q, del orificio es el producto de la velocidad real en la vena líquida contracta por el área del chorro. El cociente entre el área del chorro en la vena contracta, A2, y el área del orificio, A0, se llama coeficiente de contracción Cc. A Cc 2 (5) A0 De modo que el área de la vena contracta es A2 = Cc*A0 , y por tanto, la descarga real es:
Q Cv .Cc . A0 2 gH
(6)
Es habitual combinar los dos coeficientes anteriores en uno solo denominado coeficiente de descarga CD: CD = Cv.Cc
(7)
De modo que la descarga real o caudal viene dado por:
Q C D . A0 . 2 gH
(8)
Las pérdidas entre los puntos 1 y 2 no admiten un cálculo analítico, por lo que el coeficiente de velocidad, Cv, debe ser determinado experimentalmente. La expresión (8) es válida únicamente para colada
