ESCUELA POLITÉCNICA DEL E JÉRCITO DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA
TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES TEMA:
“FUNDICION DE UN YUNQUE” INTEGRANTES:
JOSÉ JAGUACO JAGUACO PERIODO:
SEPTIEMBRE 2012 – FEBRERO 2013 FECHA:
2013-01-14 Sangolquí – Ecuador 1
INDICE
Nº PÁGINA
OBJETIVO GENERAL
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OBJETIVOS ESPECÍFICO
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MARCO TEORICO
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SELECCIÓN DE MATERIAL PARA MODELO
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CONTRACCION DE METALES
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FORMAS QUE FACILITEN EL MODELO
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DIMENSIONES DE LAS PLANTILLAS O CORAZONERAS
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ANGULOS DE EXTRACCION DE SALIDAS
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TOLERANCIAS DIMENSIONALES PARA FUNDICIONES EN ACERO
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PLANOS PROYECTADOS PARA EL YUNQUE DEFECTOS
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DEFECTOS
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DEFECTOS EN LA PRACTICA DE FUNDICION
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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
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BIBLIOGRAFIA
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ANEXOS
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ESCUELA POLITECNICA DEL EJERCITO OBJETIVO GENERAL: •
Realizar una fundición de un yunque, en el cual se aplicara todos los conocimientos adquiridos en la asignatura de tecnología de materiales
OBJETIVOS ESPECIFICOS: •
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Realizar una fundición de un yunque en aluminio donde se tome en cuenta la contracción del metal a ser utilizado. Manufacturar el modelo de la pieza a fabricar para el cual se escogerá el tipo de material a usar para el modelo. Realizar el dibujo mecánico de la pieza a ser fundida. Reconocer los distintos defectos que se podrían presentar luego del proceso de fundición.
MARCO TEORICO: La fundición es un proceso en el cual se hace fluir metal fundido dentro de la cavidad de un molde, donde solidifica y adquiere la forma del molde. Es uno de los procesos más antiguos de formado que se remonta a 6 mil años atrás y son muchos los factores y variables que debemos considerar para lograr una operación de fundición exitosa. La fundición incluye: la fundición de lingotes y la fundición de formas. El lingote es una fundición en grande de forma simple (barras rectangulares largas), diseñada para volver a formarse en otros procesos subsiguientes como laminado o forjado. La fundición de formas involucra la producción de piezas complejas que se aproximan más a la forma final deseada del producto, las ventajas y desventajas que presenta este proceso de fundición son las siguientes: Ventajas: •
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La fundición se puede usar para crear partes de compleja geometría, incluyendo formas externas e internas. Algunos procesos de fundición pueden producir partes de forma neta que no requieren operaciones subsecuentes para llenar los requisitos de la geometría y dimensiones de la parte. Se puede usar la fundición para producir partes de unos cuantos gramos hasta formas que pesan más de 100 toneladas (coronas dentales, joyería, estatuas, bloques y cabezas para motores automotrices, bases para máquinas, ruedas para ferrocarril, tubos, carcasas para bombas, etc.). 3
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El proceso de fundición puede realizarse en cualquier metal que pueda calentarse y pasar al estado líquido. Algunos métodos de fundición son altamente adaptables a la producción en masa.
Desventajas: •
Las limitaciones de algunos procesos.
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Se pueden obtener piezas con propiedades mecánicas no homogéneas.
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Piezas con porosidad.
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Baja precisión dimensional.
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Acabado deficiente de la superficie.
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Los riesgos que los trabajadores corren durante el procesamiento.
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Problemas ambientales.
SELECCIÓN DEL MATERIAL PARA EL MODELO: El número de piezas a realizarse con un modelo, determinará el criterio de selección del material del mismo, que puede ser madera, metal, poliestireno, plástico, resina epóxica, cera o bien mercurio protegido. Sin duda que la vida útil del modelo y su precisión son factores que influyen también para seleccionar el material. Para moldear 10 veces o más con un mismo modelo, conviene hacerlo metálico (aluminio o aleaciones de aluminio) que resisten más al desgaste. Puede fabricarse también de bronce o de hierro gris, ya que a veces el desgaste es excesivo cuando se tienen que calentar, como en el caso del moldeo en cáscara. Dado que la pieza que se va a realizar es única se podría escoger un modelo desechable, pero por lo complicado y las condiciones de presentación no lo permiten y se desea que el molde se lo mantenga se escogerá por uno de madera. Se tienen tres tipos de maderas para fabricación de patrones: • • •
Duras: maple, encino y ébano. Blandas: pino blanco, cedro, caoba y abeto. Aglomerados: MDF, OSB.
La utilización de cada uno de estos tipos de maderas esta en función de la cantidad de piezas que se fabrican con el modelo. Las maderas duras tienen una magnifica resistencia a la abrasión, sin embargo como inconvenientes se tienen su fragilidad y dificultad para ser trabajadas. Toda madera que se emplee para la fabricación de modelos deberá estar perfectamente sazonada o estofada y también debe almacenarse 4
para impedir la reabsorción de agua. SELECCIÓN: Luego de analizar dentro de las maderas se procedió a escoger una madera blanda, la cual fue en pino blando, debido a su fácil adquisición, costo bajo y su mayor maleabilidad que otras maderas, al cual se le procedió a quitar la humedad, para evitar que el molde se degrade. CORAZONES: Los patrones definen la forma externa de la fundición. Si posee superficies internas, se necesita un corazón para definirlas. Un corazón es un modelo de tamaño natural de las superficies interiores de la parte. El corazón se inserta en la cavidad del molde antes del vaciado, para que al fluir el metal fundido, solidifique entre la cavidad del molde y el corazón, formando así las superficies externas e internas de la fundición. El corazón se hace generalmente de arena compactada. El tamaño real del corazón debe incluir las tolerancias para contracción y maquinado, lo mismo que el patrón. El corazón, dependiendo de la forma, puede o no requerir soportes que lo mantengan en posición en la cavidad del molde durante el vaciado. Estos soportes, llamados sujetadores, se hacen de un metal cuya temperatura de fusión sea mayor que la de la pieza a fundir. Por ejemplo, para fundiciones de hierro colado se usan sujetadores de acero. Los sujetadores quedan atrapados en la fundición durante el vaciado y la solidificación. En la Figura 1 se muestra un posible arreglo del corazón usando sujetadores. La porción de los sujetadores que sobresalen de la fundición se recortan después.
CONTRACION DE METALES: Al solidificar los metales o aleaciones se contraen y disminuyen su volumen, este fenómeno origina una reducción en las medidas de la pieza, por lo cual los modelos al ser proyectados, deben contener en sus dimensiones el por ciento de contracción del metal o aleación. 5
FORMAS QUE FACILITEN EL MOLDEO: Al diseñar las formas de los modelos se deben de prever que el moldeo se facilite, esto en ocasiones implica que la forma del modelo no sea semejante a la pieza que se desea obtener. Las formas más comunes que facilitan el moldeo se muestran en la Figura
SELECCIÓN: Dado que el material de el cual se procederá a hacer la fundición es el aluminio como se puede apreciar en la tabla 2.2, la contracción de dicho material es del 0.5 al 1 % por lo cual se escogerá una contracción de 0.7 % para tener una media entre los valores mencionados, para lo cual a todas las cotas del modelo se deberá sumar el 0.7 % mas de las dimensiones del mismo. DIMENSIONES DE LAS PLANTILLAS O CORAZONERAS: 6
Las plantillas son necesarias cuando la pieza es hueca y sirven para formar la cavidad en el molde que servirá de apoyo al corazón. Como una orientación, en piezas cuya sección del corazón es cilíndrica y se apoya en los extremos:
SELECCIÓN: Dado que el diámetro de nuestros corazones se encuentran en el rango que se muestra en la figura la cual va de 20 a 30 por lo cual la distancia que el mismo debe sobresalir del borde del modelo es igual a 1.5 veces el diámetro del corazón. ANGULOS DE EXTRACCIÓN O DE SALIDA (DRAFT ALLOWANCES): Los ángulos deben ser designados en el dibujo de fundición con la consulta del productor de la fundición, comúnmente en una nota de dibujo. El ángulo de salida seleccionado no debe ser menor del que pueda ser tolerado en el diseño. La Figura 3.1 ilustra el uso de ángulos de salida en un modelo típico y caja de corazón.
RECOMENDACIONES ÁNGULOS DE SALIDA. La Tabla 3.1 presenta recomendaciones generales para ángulos de salida de fundición de acero. Para asegurar la moldeabilidad, es útil cumplir o exceder estos ángulos de salida en todas las superficies perpendiculares a la línea de moldeo. 7
SELECCIÓN: Dado que nuestra pieza requiere un aceptable acabado superficial y no se procederá a realizar a dar algún acabado superficial por un proceso de arranque de viruta, se debe tomar muy en cuenta la utilización de ángulos de salida para evitar que al momento de que se retire el modelo de la arena esta se deforme perdiendo así la forma del modelo, para lo cual esto va a depender del tipo de arena que se use, dado que la arena es la que se le denomina arena verde, de acuerdo a la tabla presentada a continuación el ángulo debe ser de 1.5°. TOLERANCIAS DIMENSIONALES PARA FUNDICIONES DE ACERO: En las Tablas 3.3 a) y 3.3 b) se muestran grados de tolerancias dimensionales para fundición de ISO 8062-1994, en milímetros y pulgadas. Estos grados de designaciones también son usadas por SFSA 2000 Tolerancias para fundiciones de acero.
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El grado de tolerancia de fundición CT (casting tolerance), puede ser seleccionado dependiendo del proceso de fundición y el tipo de producción, ya sea una serie de producción pequeña o grande. Tablas 3.4 y 3.5.
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SELECCIÓN: Dado que todo proceso de ingeniería debe estar siempre presente la calidad que se debe asegurar, se escogerá una tolerancia para la pieza ya terminada, la cual se seleccionara de acuerdo a lo que se indica en la tabal 3.4, de acuerdo al proceso de fundición dado que el nuestro es en fundición de arena la tolerancia va en el grado CT 10 a 12, la misma que se seleccionara la 11 CT para asegurar el 50% de confiabilidad, la tolerancia general será del ± 2.8 mm. PLANOS PROYECTADOS DEL YUNKE: Para realizar la fundición primero se tuvo que proyectar el diseño del modelo del yunque, tomando en cuenta todos los factores recomendables para su construcción, uno de estos factores que se tenían que tener muy presente fue el material con el que se va a realizar la fundición, y además el teniendo muy claro el porcentaje de contracción del material (0.5 a 1.0%). Entre los planos realizados tenemos los siguientes planos: Volumen: 1232 cm3 Densidad del Aluminio: 2.7x10-3kg/cm3 Masa: 3.33 kg NOTA: Los cálculos de volumen fueron hechos por autocad.
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DEFECTOS: Existen defectos comunes en todos los procesos de fundición. Estos defectos se ilustran en la figura 2.23 y se describen brevemente a continuación: a) Llenado incompleto: Este defecto aparece en una fundición que solidificó antes de completar el llenado de la cavidad del molde. Las causales típicas incluyen: 1) fluidez insuficiente del metal-fundido, 2) muy baja temperatura de vaciado, 3) vaciado que se realiza muy lentamente y/o 4) sección transversal de la cavidad del molde muy delgada. b) Junta fría: Una junta fría aparece cuando dos porciones del metal fluyen al mismo tiempo, pero hay una falta de fusión entre ellas debido a solidificación o enfriamiento prematuro. Sus causas son similares a las del llenado incompleto. c) Metal granoso o gránulos fríos: Las salpicaduras durante el vaciado hacen que se formen glóbulos de metal que quedan atrapados en la fundición. Un buen diseño del sistema y de los procedimientos de vaciado que eviten las salpicaduras puede prevenir este defecto. d) Cavidad por contracción: Este defecto es una depresión de la superficie o un hueco interno en la fundición debido a la contracción por solidificación que restringe la cantidad de metal fundido disponible en la última región que solidifica. Ocurre frecuentemente cerca de la parte superior de la fundición, en cuyo caso se llama rechupe. El problema se puede resolver frecuentemente por un diseño apropiado de la mazarota. e) Micro porosidad: Se refiere a una red de pequeños huecos distribuida a través de la fundición debida a la contracción por solidificación del último metal fundido en la estructura dendrítica El defecto se asocia generalmente con las aleaciones, debido a la forma prolongada, en que ocurre la solidificación en estos metales. f) Desgarramiento caliente: Este defecto, también llamado agrietamiento caliente, ocurre cuando un molde, que no cede durante las etapas finales de la solidificación o en las etapas primeras de enfriamiento, restringe la contracción de la fundición después de la solidificación. Este defecto se manifiesta como una separación del metal (de aquí el término desgarramiento o agrietamiento) en un punto donde existe una alta concentración de esfuerzos, causado por la indisponibilidad del metal para contraerse naturalmente. En la fundición en arena y otros procesos con molde desechable o consumible, esto se previene arreglando el molde para hacerlo retráctil. En los procesos de molde permanente se reduce el desgarramiento en caliente, al separar la fundición del molde inmediatamente después de la solidificación.
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Algunos defectos se relacionan con el uso de moldes de arena y, por tanto, ocurre solamente en la fundición en arena. Aunque en menor grado, los otros procesos de molde desechable son también susceptibles a estos problemas. En la figura 2.24 se muestran algunos de los principales defectos que ocurren en la fundición en arena.
a) Sopladuras: Este defecto es una cavidad de gas en forma de pelota causada por un escape de gases del molde durante el vaciado. Ocurre en la superficie de la parte superior de la fundición o cerca ella. La baja permeabilidad, pobre ventilación y el alto contenido de humedad en la arena del molde son las causas generales. b) Puntos de alfiler: Es un defecto similar al de las sopladuras que involucra la formación de numerosas cavidades pequeñas de gas en la superficie de la fundición o ligeramente por debajo de ella. c) Caídas de arena: Este defecto provoca una irregularidad en la superficie de la fundición, que resulta de la erosión del molde de arena durante el vaciado. El contorno de la erosión se imprime en la superficie de la fundición final. d) Costras: Son áreas rugosas en la superficie de la fundición debido a la incrustación de arena y metal. Son causadas por desprendimientos de la 12
e)
f) g) h)
superficie del molde que se descascaran durante la solidificación y quedan adheridas a la superficie de la fundición. Penetración: Cuando la fluidez del metal líquido es muy alta, éste puede penetrar en el molde o en el corazón de arena. Después de la solidificación, la superficie de la fundición presenta una mezcla de granos de arena y metal. Una mejor compactación del molde de arena ayuda a evitar esta condición. Corrimiento del molde: Se manifiesta como un escalón en el plano de separación del producto fundido, causado por el desplazamiento lateral del semimolde superior con respecto al inferior. Corrimiento del corazón: Un movimiento similar puede suceder con el corazón, pero el desplazamiento es generalmente vertical. El corrimiento del corazón y del molde es causado por la flotación del metal fundido. Molde agrietado (venas y relieves): Si la resistencia del molde es insuficiente, se puede desarrollar una grieta en la que el metal líquido puede entrar para formar una aleta en la fundición final.
Métodos de inspección Los procedimientos de inspección en la fundición incluyen: 1) inspección visual para detectar defectos obvios como llenado incompleto, cortes fríos y grietas severas en la superficie; 2) medida de las dimensiones para asegurarse que están dentro de las tolerancias; y 3)pruebas metalúrgicas, químicas, físicas y otras relacionadas con la calidad inherente del metal fundido. Las pruebas de la categoría 3 incluyen: a) pruebas de presión para localizar fugas en la fundición; b)métodos radiográficos, pruebas de partículas magnéticas, uso de líquidos penetrantes fluorescentes y pruebas supersónicas para detectar defectos superficiales o internos en la fundición; c) ensayos mecánicos para determinar propiedades, tales como la resistencia a la tensión y dureza. Si se descubren defectos, pero éstos no son serios, muchas veces es posible salvar la fundición por soldadura, esmerilado y otros métodos de recuperación que se hayan convenido con el cliente. DEFECTOS EN LA PRÁCTICA DE FUNDICIÓN Después de culminado el proceso de fundición del yunque, se procedió a verificar que fallas podrían existir, por lo que se comprobó que existía una falla de cavidad por contracción, es decir existió un rechupe en la pared media del yunque como se puede observar en la siguiente imagen.
Falla por rechupe 13
CONCLUCIONES y RECOMENDACIONES: •
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Luego de analizar los requerimientos de la pieza a fundir, se pudo concluir que el éxito de las fundiciones es dada por la preparación del modelo, si un modelo esta correctamente diseñado, tomando en cuenta las recomendaciones que dan muchos de los fabricantes de piezas fundidas, de las cuales las mas importantes son la consideración de la contracción de los metales, los ángulos de salida y la tolerancia que se deberá admitir en la fundición. La selección del material para el modelo, dependerá del número de unidades que se desea producir, del costo de su realización y la facilidad de manufactura del mismo, es por esta razones que se escogió la madera blanda (pino blando), por su fácil adquisición, su bajo costo y su fácil manufactura. Para que la fundición resulte muy buena es necesario que la colada esté totalmente en estado líquido para que fluya libremente por los canales. Debido a que en los laboratorios no se podía realizar una buena fundición y presentaban muchas complicaciones, se procedió a buscar la solución a nuestro problema, y recurrimos a un taller de fundición para que nos ayuden a realizar, pero nosotros mismos trabajando, y encontramos muchas fallas que hacíamos en los laboratorios y se recomiendan más adelante. Debido a que el modelo era muy grande se necesitó mucho material, aproximándose a 10 lb de aluminio fundido. Para resolver el problema de fundición que se produjo en el yunque se recomienda un diseño apropiado de la mazarota. En el taller que se realizó la fundición se concluyó que la arena utilizada en el laboratorio no cumplió todas las características y propiedades que se necesitan para fundir, debido a que se necesitaba un compuesto llamado “Ventonita”, éste material ayuda a que la arena sea más compacta y no quiebre en el instante de hacer el molde para la fundición. Es necesario recubrir el modelo con “Pomagina” que es una sustancia para que la arena no se pegue al modelo, como se observa en la siguiente foto.
Para separar el modelo de la arena es necesario mojar con agua los bordes del modelo, para que la arena no se quiebre y se mantenga firme. 14
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El proceso de diluir el aluminio se hiso en un horno industrial, cuyo combustible es el diesel, y se demoró aproximadamente 1 hora en diluir el aluminio. Se recomienda que el rato de terminar con el proceso de moldeo sea necesario quitar la caja que cubre a la arena para que así las dos mitades se compacten bien y no haya el problema que se desparrame la colada. Es necesario recubrir con arena alrededor de la caja final para que no se mueva el rato de verter la colada.
BIBLIOGRAFÍA •
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Steel Castings Hand book, Supplement 3: Dimensional capabilities of steel castings Steel Founders Society of America 2003 Turbomáquinas, Tomo 2: Turbinas hidráulicas Pedro Fernández Diez Universidad de Cantabria, Departamento de ingeniería eléctrica y energética 2003 Manual del Ingeniero Mecánico Tomo I y II Eugene Avallone y Theodore Baumeister III Mc Graw Hill 1995. Mejores técnicas disponibles y medio ambiente en la industria primaria de los metales no férreos. Ministerio de obras públicas, transportes y medio ambiente, Dirección general de política ambiental. España 1996. Tecnología de moldeo de fundición Luis A. Olivia. Ingeniería Metalúrgica Tomo II Raymundo A. Higgins. 15
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Diagnóstico del nivel tecnológico de fundiciones (Región Metropolitana) Proyecto de fomento del sector. SERCOTEC, Junio 1992. Tecnología de los metales Hans Appold Emisiones de las fundiciones de Hierro - Un Estudio J. H. Greenberg 1990. Metalúrgica Luigi Losana.
PÁGINAS WEB. •
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http://www.interempresas.net/Medicion/Articulos/Articulo.asp?A=1548&R= 26030 http://www.faro.com http://www.monografias.com/trabajos10/hidra/hidra http://www.aprendizaje.com.mx/Curso/Proceso1/Temario1_V http://www.cwmdiecast.com http://metrologia.melencho.net ANEXOS
REALIZACIÓN DE LA FUNDICIÓN:
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