UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADAS
Tecnología de los Procesos de Manufactura SEMANA 02: CONFORMADO POR FUNDICION Y MOLDEO
Lima – 2017-2 Docente: Ing. Hugo Gamarra Chinchay
INTRODUCCIÓN •
La fundición es un proceso en el cual se hace fluir metal fundido dentro la cavidad de un molde, donde se solidifica y adquiere la forma del molde.
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Es uno de los procesos más antiguos de conformado, pues se remonta a hace 6 mil años atrás y son muchos los factores y variables que debemos considerar para lograr una operación de fundición exitosa.
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La fundición incluye: la fundición de lingotes y la fundición de formas.
Fundición de lingotes, describe un fundido grande de forma sencilla que se espera adopte otras formas por medio de procesos de rolado o forjado
CULATAS
PIEZAS PARA AEROGENERADORES
-Fundición de formas , involucra la producción de formas más complejas que están mucho más cerca de la parte final que se desea tenga la pieza o producto.
PIEZAS PARA DISCOS DE FRENO
Existen diversos métodos para la fundición de formas, lo cual hace de este proceso uno de los más versátiles en manufactura.
VENTAJAS DE LA FUNDICIÓN DE FORMAS 1.
La fundición se puede usar para crear partes de compleja geometría, incluyendo formas externas e internas.
2. Algunos procesos de fundición pueden producir partes de forma neta que no requieren operaciones posteriores para llenar los requisitos de la geometría y dimensiones de la parte. 3. Se puede usar la fundición para producir piezas muy grandes. Es posible hacer fundidos que pesan más de 100 toneladas.
4. El proceso de fundición puede realizarse en cualquier metal que pueda calentarse hasta llegar al estado líquido. 5. Algunos métodos de fundición son altamente adaptables a la producción en masa.
DESVENTAJAS DEL PROCESO DE FUNDICION 1. Limitaciones de las propiedades mecánicas; porosidad, exactitud
dimensional y acabado de la superficie defectuosa para ciertos procesos de fundición. 2. Peligros para la seguridad de los seres humanos cuando procesan metales fundidos y problemas ambientales.
PRINCIPIO DE LA FUNDICION SE DERRITE MATERIAL, SE VIERTE EN UN MOLDE Y SE DEJA ENFRIAR Y SOLIDIFICAR; NO OBSTANTE, HAY MUCHOS FACTORES Y VARIABLES QUE DEBEN CONSIDERARSE A FIN DE LOGRAR UNA OPERACIÓN DE FUNDIDO EXITOSA.
PROCESOS DE FUNDICIÓN DE METALES FUNDICIÓN EN ARENA FUNDICIÓN EN MOLDES DESECHABLES
OTROS PROCESOS DE FUNDICIÓN
FUNDICIÓN DE METALES
FUNDICIÓN EN MOLDES PERMANENTES
PROCESOS DE FUNDICION OPERAC OPE RACION IONES ES BÁS BÁSICA ICAS S 1. Diseño de los modelos de la pieza y sus partes internas 2. Diseño del molde 3. Preparación de los materiales para los modelos y los moldes 4. Fabricación de los modelos y los moldes
COLADA 5. Fusión y colada del metal fundido T colada > T fusión 6. Vertido del material fundido en el interior del molde 7. Enfriam iamient ento de los molde ldes 8. Extracción de las piezas fundida idas
OPER OP ERAC ACIO IONE NES S DE AC ACAB ABAD ADO O 9. Limpieza de las piezas fundidas. Eliminación de bebederos y canales de entr entrad ada a del del caldo aldo 10. 10. Termi ermina nado do de las las piez piezas as fund fundid idas as 11. Recuperación de los materiales de los moldes
PROCESOS DE FUNDICIÓN •
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El estudio estudio de la fundición fundición comienza comienza en en forma lógica lógica con el molde. molde. El molde cont contie iene ne un una a cavi cavida dad d cuya cuya conf config igur urac ació ión n ge geom omét étri rica ca determina la forma de la pieza fundida.
•
El tamaño y forma reales de la cavidad deben sobredimensionarse un poco para permitir la contracción de metal que ocurre durante la solidificación y enfriamiento.
•
A
metales
diferentes
corresponden
cantidades
distintas
de
contracción, por lo que la cavidad del molde debe diseñarse para el metal en particular que se va a fundir, si la exactitud dimensional es de importancia crítica. •
Los moldes están hechos de varios materiales, que incluyen arena, yeso, cerámica y metal.
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Para llevar a cabo la operación de fundido, primero se calienta el metal a una temperatura suficientemente alta que lo transforme por completo al estado líquido.
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Después se vierte, o se dirige, hacia la cavidad del molde. En un molde abierto, el metal líquido simplemente se vierte hasta que llena la cavidad abierta.
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En un molde cerrado, se adapta un pasaje denominado sistema de paso, que permite que el metal derretido fluya desde el exterior del molde hasta la cavidad.
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Tan pronto como el metal fundido llega al molde, comienza a enfriarse.
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Cuando la temperatura baja lo suficiente (por ejemplo, al punto de congelación para un metal puro), empieza a solidificarse.
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La solidificación involucra un cambio de fase del metal.
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Se requiere de tiempo para completar el cambio de fase, y en el proceso se pierde una cantidad considerable de calor.
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Es durante esta etapa del proceso que el metal adopta la forma sólida de la cavidad del molde, y también cuando se establecen muchas de las propiedades y características del fundido.
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Una vez que el fundido se ha enfriado lo suficiente, se retira del molde.
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En función del método de fundido y el metal empleado, podría requerirse un procesamiento adicional.
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Esto incluye cortar el exceso de metal de la pieza fundida real, limpiar la superficie, inspeccionar el producto y dar tratamiento térmico para mejorar sus propiedades.
•
Además, quizá se requiera maquinar, con objeto de lograr tolerancias más estrechas para ciertas características de las piezas, y eliminar la superficie del fundido.
Los procesos de fundición de metales se dividen en dos categorías amplias, de acuerdo con el tipo de molde que se emplea:
1. Molde desechable significa que el molde en que se solidifica el metal derretido debe destruirse para retirar el fundido. Estos moldes están hechos de arena, yeso o materiales similares, cuya forma se mantiene con el uso de aglutinantes de varias clases. La fundición con arena es el ejemplo más destacado de los procesos con moldes desechables.
2. Molde permanente es el que se utiliza una vez y otra para producir muchos fundidos. Está hecho de metal (o de un material refractario cerámico, lo que es menos común) que soporte las temperaturas elevadas de la operación de fundido.
FUNDICIÓN EN ARENA La fundición en arena es el proceso más ampliamente usado en los procesos de fundición, ya que cuenta con la gran mayoría del tonelaje total de los productos obtenidos por fundición.
Casi todas las aleaciones de fundición pueden generarse por el proceso con arena; de hecho, es uno de los pocos procesos que pueden usarse para metales y/o sus aleaciones con temperaturas de fusión elevadas, como los aceros, el níquel y sus aleaciones. Permite la fundición de piezas cuyos tamaños varían de pequeñas a muy grandes y en cantidades de producción que van desde una a millones. La fundición en arena, también conocida como fundición en molde de arena , consiste en el vaciado del metal fundido en un molde de arena, y dejar que dicho metal solidifique, para posteriormente romper el molde y retirar el producto fundido.
La fundición debe limpiarse e inspeccionarse, y en ocasiones se requiere de un tratamiento térmico a fin de mejorar sus propiedades metalúrgicas. La cavidad del molde de arena se forma por la compresión de arena alrededor de un modelo, y luego se retira el modelo por medio de la separación del molde en sus dos mitades. El molde también contiene el sistema de alimentación y el de mazarota. Además , si la fundición va a tener superficies interiores ( por ejemplo, partes huecas o con orificios), debe incluirse un corazón en el molde. Como el molde se destruirá para retirar el producto fundido, debe hacerse un molde nuevo por cada pieza que se produce. La fundición con arena no sólo es la operación para generar la pieza fundida en sí, sino también la fabricación del modelo y la manufactura del molde.
Proceso de Fundición en moldes de arena Selección del material a fundir
Fusión del metal
Preparación de la arena
Preparación del modelo
1
Preparación del Molde
Limpieza e inspección
Colada
Acabado (mecanizado)
Solidificación
Desmoldeo
1
COMPONENTES DE UN MOLDE DE ARENA
MODELOS Y CORAZONES La fundición con arena requiere un modelo, es decir, un “patrón” de tamaño real de la piez pieza, a, au aunq nque ue má máss gran grande de pa para ra qu quee se sean an co cons nsid ider erad adas as las las tole tolera ranc ncia iass po por r contracción y maquinado en el fundido final. Los materiales que son utilizados para fabricar modelos incluyen la madera, los plásticos y los metales. La madera es un material común para hacer modelos debido a la facilidad para darle forma. Sus desventajas desventajas son que tiende a deformarse y la arena que se compacta compacta alrededor de ella la puede rayar, lo que limita el numero de veces que puede volver a utilizarse. Los modelos de metal son más caros, pero duran mucho más. Los plásticos representan una solución intermedia entre la madera y el metal.
Hay varios tipos de modelos. El más simple está hecho de una sola pieza y recibe el
mode delo lo só sólilido do,, tiene la misma nombre de mo forma que el de la fundición y su tamaño está es tá ajus ajusta tado do pa para ra la con ontrtrac accción ión y el maquinado. Aunque es el modelo más fácil de fabricar, no es el más fácil de usar en la elaboración de moldes de arena. La determinación de la ubicación de la línea de partición de las dos mitades del molde de un modelo solido puede ser un problema, y la incorporación del sistema de compuertas y la mazarota al molde queda a juicio y habilidad del trabajador que funde.
mode delo loss di divi vidi dido doss consisten en dos piezas, Los mo que separan la pieza a lo largo de un plano que coincide con la línea de partición del molde. Son apro ap ropi piad ados os pa para ra piez piezas as co conn con onfifigu gura raccione ioness geométricas complejas y cantidades moderadas de producción. La línea de partición del molde esta predeterminada por las dos mitades del modelo, y no se deja al criterio del operador.
Los modelos para semimoldes superior e
inferior son similares a los de la placa, excepto que las mitades que se separan están ajustadas a placas diferentes , de modo que las secciones del semimolde superior e inferior del molde se fabrican de manera independiente en lugar de usar las mismas herramientas para ambas. Los modelos definen la forma externa de la pieza por fundir. Si la fundición va a tener superficies internas se requiere un corazón.
Un corazón es un modelo a tamaño real de las superficies interiores de una pieza. Se inserta en la cavidad del molde antes del vaciado, de modo que el metal fundido fluirá y se solidificara entre la cavidad del molde y el corazón, para formar las superficies externa e interna del fundido. En los modelos de placas de acoplamiento, las dos piezas del modelo dividido están sujetas a los lados opuestos de una placa de madera o metal. Los orificios en la placa permiten que las secciones superior e inferior del molde se alineen en forma adecuada.
CALENTAMIENTO Y VERTIDO
Para llevar a cabo una operación de fundido, el metal debe calentarse a una temperatura algo más elevada que su punto de fusión y luego verterse a la cavidad del molde para que se solidifique.
CALENTAMIENTO DEL METAL Para calentar el metal a una temperatura de fusión suficiente para la fundición se utilizan hornos. La energía calorífica (TERMICA) que se requiere es la suma de: 1. El calor para elevar la temperatura al punto de fusión. 2. El calor de fusión para convertirlo de sólido a líquido. 3. El calor para poner el metal fundido a la temperatura deseada para verterlo.
= . . . .. . . . El
calor
para
elevar
temperatura al punto de fusión.
la El calor de fusión
El calor para poner el metal
para convertirlo de
fundido
sólido a líquido.
deseada para verterlo.
a
la
temperatura
Donde: H = calor total que se requiere para subir la temperatura del metal a la temperatura a que se vierte, J (Btu) = densidad , g/cm3 (lbm/pulg3) Cs = calor especifico por peso para el metal solido, J/g-C (Btu / lbm-F) Tm = temperatura de fusión del metal, °C (°F) TO = temperatura de inicio, la ambiental, por lo general, °C (°F) Hf = calor de fusión, J / g (Btu /lbm) C l = calor especifico por peso del metal líquido, J /g –C (Btu /lbm-F) T p = temperatura de vertido (colada), °C (°F), V = volumen del metal que se calienta, cm3 (pulg3).
ENERGIA TERMICA (H) Calorías Energía térmica necesaria para llevar al metal desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de colada
H = m {Cs ( Tf – Ta) + Cf + Cl (Tc – Tf )} Masa Material
calorias
m=ρV Densidad a Temp.amb. (g/cm3)
Temperatura Fusión (ºC)
Contracción Volumétrica (%)
Calor especifico
sólido
(cal/g.ºC) Liquida Solidificación Sólida
Cs
Calor de
fusión (cal/g)
Cf
Calor especifico
líquido
(cal/g.ºC)
Cl
Aluminio
2,7
660
1,2
7,0
5,6
0,21
105
0,18
Cobre
8,96
1084
0,8
4,5
7,5
0,092
82
0,86
Acero
7,84
1458
0,9
3,0
7,2
0,11
94
0,09
Bronce (Cu-Sn)
8,96
1010
5,5
6,0
1 caloría = 1,163 x 10- 6 Kw-h;
temperatura ambiente = 25 ºC
VERTIDO DEL METAL FUNDIDO Después del calentamiento, el metal esta listo para ser vaciado en el molde. La introducción del metal derretido en el molde, que incluye el flujo a través del sistema de paso y hacia la cavidad, es una etapa crítica del proceso de fundición. Para que está etapa tenga éxito, el metal debe fluir hacia todas las regiones del molde antes de solidificarse. Los factores que afectan la operación de vertido son: 1. Temperatura a la que se vierte. 2. Velocidad de vertido. 3. Turbulencia. La temperatura de vertido es aquella que tiene el metal derretido cuando se introduce al molde. Lo que importa aquí es la diferencia entre la temperatura a que se vierte y la que tiene al comenzar la solidificación. Esta diferencia de temperatura en ocasiones se conoce como la de sobrecalentamiento.
La velocidad de vertido se refiere a la tasa volumétrica a la que se vierte el metal fundido al molde. Si la tasa es demasiado baja, el metal se enfriara y solidificara antes de llenar la cavidad. Si la tasa de vertida es excesiva, la turbulencia se vuelve un problema serio. La turbulencia en el flujo de un fluido se caracteriza por variaciones erráticas en la magnitud y dirección de la velocidad en el fluido. El flujo se agita y es irregular en vez de ser suave y seguir líneas de corriente, como ocurre con el flujo laminar. Se debe evitar por las razones siguiente: 1. Tiende a acelerar la formación de óxidos de metal que pueden quedar atrapados durante la solidificación, lo que degrada la calidad del fundido. 2. Agrava la erosión del molde, que es la perdida gradual de superficies del molde debido al impacto del flujo del metal derretido.
ANÁLISIS DE INGENIERÍA DEL VERTIDO Hay varias relaciones que gobiernan el flujo del metal liquido a través del sistema de paso y dentro del molde. El teorema de Bernoulli, establece que la suma de las energías (piezometrica, presión, cinética y fricción) en dos puntos cualesquiera de un liquido que fluye, son iguales. Esto se escribe de la forma siguiente:
ℎ = ℎ 2 2
……. 1
í 1 2 í
: ℎ = é , () = ó í,
( )
= , ( ) = ,
( )
= ó , 981
( 386
= é é ó , ()
)
La ecuación de Bernoulli se simplifica de varias maneras. Si se ignoran las perdidas por fricción, y se supone que entre tanto el sistema permanece a presión atmosférica, entonces la ecuación se reduce a
ℎ = ℎ 2 2
……. 2
Esto se utiliza para determinar la velocidad del metal derretido en la base del bebedero. Se define como punto 1 la parte superior de la mazarota, y punto 2 la base.
Si el punto 2 se usa como el plano de referencia, entonces la altura piezometrica en él es igual a cero (h2 =0) y h1 es la altura (longitud) de la entrada. Cuando el metal se vierte en el embudo y fluye por el bebedero, su velocidad inicial en la parte superior es cero (v1 =0). Así la ecuación inicial queda:
ℎ = 2
……. 3
que se resuelve para la velocidad de flujo:
=
2. . ℎ
……. 4
Donde v = velocidad del metal líquido en la base de la mazarota, cm/s (pulg/s) ; g = 981 cm/s2 (386 pulg/s2), y h=altura del bebedero, cm (pulg)
Otra relación importante durante el vertido es la LEY DE CONTINUIDAD, que establece que la tasa de flujo volumétrico permanece constante a través del líquido. El gasto volumétrico es igual a la velocidad multiplicada por el área de la sección transversal del líquido que fluye. La ley de continuidad se expresa como:
= . = .
……. 5
Donde Q = gasto volumétrico, cm3/s (pulg3/s) ; v = velocidad ; A = área de la sección transversal del líquido, cm2 (pulg2) , y los subíndices se refieren a dos puntos cualesquiera del sistema de flujo. ´Así , un incremento del área da lugar a una disminución de la velocidad, y viceversa.
Las ecuaciones anteriores, indican que el bebedero debe tener forma cilíndrica y alargada, siendo más estrechos en sus extremos. Conforme el metal acelera durante su descenso por la abertura del bebedero, el área de la sección transversal del canal debe reducirse; de otro modo, mientras la velocidad del metal aumenta en su camino hacia la base del bebedero, el líquido podría aspirar aire y llevarlo a la cavidad del molde. Para impedir esta condición, el bebedero se diseña con un ahusamiento, de modo que el gasto volumétrico v . A siempre es el mismo en las partes superior e inferior de ella.
Si se supone que el vaciadero que va de la base del bebedero a la cavidad del molde es horizontal (y por tanto la altura piezométrica h es la misma que en la base del bebedero), entonces el gasto volumétrico a través del paso hacia la cavidad del molde permanece igual a v . A en la base. En consecuencia, es posible estimar el
tiempo que se requiere para llenar la cavidad de un molde de volumen V, así: =
……. 6
Donde: TMF = tiempo de llenado del molde, s V = volumen de la cavidad del molde, cm3 (pulg3) Q = gasto volumétrico. El tiempo de llenado del molde calculado por medio de la ecuación 6 debe considerarse un tiempo mínimo. Esto se debe a que el análisis ignora las perdidas por fricción y la posible obstrucción del flujo en el sistema de paso; así , el tiempo de llenado del molde debe ser mayor que el se obtiene con la ecuación 6.
EJEMPLO N°01 El bebedero de un molde mide 20 cm de largo, y el área de la sección transversal en su base es de 2,5 cm2 . El bebedero alimenta un vaciadero horizontal que conduce a la cavidad de un molde cuyo volumen es de 1560 cm3. Determine: a) La velocidad del metal derretido en la base del bebedero. b) La tasa de flujo volumétrico. c) El tiempo que toma llenar el molde.
SOLUCIÓN: a) La velocidad del flujo de metal derretido en la base de la entrada está dada por la ecuación 4.
=
2. (981). (20) = 198,1 /
b) El gasto volumétrico es.
=
2,52
198,1
= 495 3 /s
c) El tiempo que se requiere para llenar la cavidad de un molde de 1560 cm3 con ese gasto es.
=
= 3,2 s
EJEMPLO N°02 El bebedero que conduce al vaciadero de cierto molde tiene una longitud de 175 mm. El área de la sección transversal en la base del bebedero es de 400 mm 2. La cavidad del molde tiene un volumen de 0.001 m3. Determine. a) La velocidad del metal fundido que fluye a través de la base del bebedero. b) El gasto volumétrico c) El tiempo que se requiere para llenar la cavidad del molde.
SOLIDIFICACIÓN DE LOS METALES Y ALEACIONES
La solidificación involucra la transformación del metal derretido de nuevo al estado sólido. El proceso de solidificación difiere en función de si el metal es un elemento puro o una aleación.
METALES PUROS: Un metal puro se solidifica a una temperatura constante igual a su punto de adhesión, el cual es el mismo punto de fusión. Los puntos de fusión de los metales puros se conocen (TABLA N°01). La solidificación real toma tiempo, llamado TIEMPO LOCAL DE SOLIDIFICACIÓN del fundido, durante el cual el calor de fusión latente del metal se libera hacia el molde que lo rodea. El TIEMPO TOTAL DE SOLIDIFICACIÓN es aquel que transcurre entre el vertido y la solidificación completa. Después de que el fundido se ha solidificado por completo, el enfriamiento continua a la tasa indicada por la pendiente hacia abajo de la curva de enfriamiento.
TABLA N°01
CURVA DE ENFRIAMIENTO PARA UN METAL PURO DURANTE LA FUNDICIÓN
ESTRUCTURA CARACTERISTICA DE LOS GRANOS EN UN FUNDIDO DE METAL PURO Debido a la acción enfriadora de la pared del molde, al principio se forma una capa delgada de metal solido en la interfaz inmediatamente después del vertido. El espesor de esta capa se incrementa y forma una costra alrededor del metal derretido conforme la solidificación avanza hacia el centro de la cavidad. La tasa a la que la solidificación sucede depende de la transferencia de calor al molde, así como las propiedades del metal.
Es de interés examinar la formación de granos metálicos y su crecimiento durante el proceso de solidificación. 1. El metal que forma la capa inicial se enfría con rapidez por la extracción de calor a través de la pared del molde; esto ocasiona que los granos de la capa sean finos, de ejes iguales y orientados al azar.
ESTRUCTURA CARACTERISTICA DE LOS GRANOS EN UN FUNDIDO DE METAL PURO, EN LA QUE SE ILUSTRAN LOS GRANOS DE TAMAÑO PEQUEÑO ORIENTADOS AL AZAR CERCA DE LA PARED DEL MOLDE, Y GRANOS GRANDES ALARGADOS ORIENTADOS HACIA EL CENTRO DEL FUNDIDO
2. Conforme el enfriamiento continua, se forman más granos y crecen en dirección opuesta a la de la transferencia de calor; es decir, los granos crecen hacia el interior como agujas o espinas de metal solido. 3. Conforme estas espinas crecen se forman ramas laterales, y mientras estas también crecen se forman otras ramas a ángulos rectos de las primeras. Este crecimiento de granos se conoce como crecimiento dendrítico.
MAYORÍA DE ALEACIONES: La mayor parte de aleaciones se solidifican en un rango de temperaturas en vez de una temperatura única. El rango exacto depende del sistema de aleación y la composición particular. La solidificación de una aleación se explica con el DIAGRAMA DE FASE para un sistema particular de aleación y la CURVA DE ENFRIAMIENTO. Conforme la temperatura cae, comienza la solidificación a la temperatura indicada por el liquidus y termina cuando se alcanza el solidus.
a) b)
Diagrama de fase para un sistema de aleación Cobre – Níquel. Curva de enfriamiento asociada para una composición de 50% Níquel y 50% de Cobre, durante la fundición.
El comienzo de la solidificación es similar a la de un metal puro. Sin embargo, debido a la dispersión de temperatura entre el liquidus y el solidus, la naturaleza del crecimiento dendritico es tal que se forma una zona de avance en la que coexiste metal tanto liquido como solido.
ESTRUCTURA DE GRANO CARACTERISTICA DE UN FUNDIDO DE ALEACIÓN, EN LA QUE SE APRECIA LA SEGREGACIÓN DE LOS COMPONENTES DE LA ALEACIÓN EN EL CENTRO DEL FUNDIDO.
SOLIDIFICACION En el proceso de enfriamiento, desde la temperatura de colada hasta la temperatura ambiente; el material presenta contracciones volumétricas.
Metal
Temperatura Fusión (ºC)
Contracción volumétrica % Sólido
Solidificación
Líquida
660
5,6
7,0
1,2
Hierro fundido gris
1200
3
1,8
Acero bajo % carbono
1458
7,2
3,0
0,9
Cobre
1084
7,5
4,5
0,8
Bronce (Cu-Sn)
1010
6,0
5,5
Aluminio
Curva de enfriamiento del Aluminio Volumen especifico (cm3 /g) VS Temperatura (ºC) 0.44
c 0.43 (
o 0.42 c if i
c 0.41 p
e
0.4
e
s
n 0.39 e m 0.38 u l o
V 0.37 0.36 0
200
400
600
Temperatura ( ºC )
800
1000
EXPANSIÓN TÉRMICA, en la fase solida. •
•
Aumento de las dimensiones de un elemento cuando se incrementa la temperatura, Los sólidos con el aumento de la temperatura se expanden y se contrae cuando se enfría COEFICIENTE DE
Lf = Lo + Lo . α . (Tf – To) Donde .
α
Lo Lf To Tf
C oeficiente
de expansión o dilatación térmica lineal (1/ºK) Longitud inicial (mm) Longitud final (mm) Temperatura inicial (ºK) Temperatura final (ºK)
SUSTANCIA
DILATACIÓN LINEAL ( ºC-1)
Porcelana
3 x 10-6
Vidrio
9 x 10-6 -6
Acero
12 x 10
Oro
14 x 10
Cobre
17 x 10
Latón
18 x 10
Aluminio
24 x 10
Cinc
29 x 10
-6 -6 -6 -6
-6
CONTRACCION TERMICA, en fase solida * En fundición es compensada por el modelo
Lp = Lm (1 – Cs ) Donde:
Lp Lm Cs
Longitud de la pieza (mm) Longitud del modelo (mm) Contracción térmica lineal del metal, al enfriarse de la temperatura de fusión a temperatura ambiente
CONTRACCIÓN La contracción ocurre en tres etapas: 1) Contracción líquida durante el enfriamiento antes de la solidificación, 2) Contracción durante el cambio de fase de líquida a sólida, llamada contracción por
solidificación. 3) Contracción térmica del fundido solidificado durante el enfriamiento a temperatura ambiente. Las tres etapas se explican en relación con un fundido cilíndrico hecho en un molde abierto, como se ilustra.
•
Inmediatamente después del vertido el material fundido en el molde.
•
La contracción del metal líquido durante el enfriamiento desde la temperatura de vertido hasta la de solidificación hace que la altura del líquido se reduzca de su nivel inicial.
•
La cantidad de esta contracción líquida por lo general es de alrededor de 0.5%.
•
La contracción por solidificación que se observa tiene dos efectos.
•
En primer lugar, ocasiona una reducción adicional en la altura del fundido.
•
En segundo, la cantidad de metal líquido disponible para alimentar la porción central superior del fundido se ve restringida.
•
En general ésta es la última región que se solidifica, y la ausencia de metal crea un vacío en esa ubicación del fundido.
•
Los trabajadores de la fundición llaman rechupe a esa cavidad por contracción.
•
Una vez que se solidifica, el fundido experimenta más contracción de su altura y diámetro durante su enfriamiento, como se aprecia en la figura.
•
Esta contracción está determinada por el coeficiente de expansión térmica del metal, que en este caso se aplica a la inversa para determinar la contracción.
Contracción por cambio de fase
Vacío de contracción por cambio de fase (rechupe) a) exterior, b) interior
Rechupe interior en el punto de concentración de masa.
Curva de enfriamiento Temperatura-Tiempo, de un metal puro
Valores comunes de contracción lineal para distintos metales de fundición debido a la contracción térmica por solidificación .
La compensación para la contracción por solidificación se logra de diversas formas dependiendo de la operación de fundido. En la FUNDICIÓN DE ARENA, el metal líquido se vierte en la cavidad por medio de MAZAROTAS. Los modelistas intervienen en la contracción por solidificación y en la térmica, porque hacen que las cavidades del molde aumenten su tamaño. La cantidad en la que el molde debe hacerse más grande en relación con el tamaño del fundido final se denomina TOLERANCIA POR CONTRACCIÓN DEL MODELO.
SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL Para minimizar los efectos de la contracción, es deseable que las regiones del fundido más lejos del suministro de metal líquido se solidifiquen primero, y que este proceso avance desde ellas hacia las mazarotas. El termino SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL se utiliza para describir este aspecto del proceso de solidificación y los métodos con los que se controla. La solidificación direccional deseada se logra aplicando la regla de Chvorinov en: • Diseño del fundido en sí. • Su orientación dentro del molde. • El diseño del sistema de la mazarota que lo alimenta.
MAZAROTA •
Durante la solidificación y enfriamiento de la fundición aparece una contracción volumétrica del material metálico.
•
Esta reducción de tamaño puede generar defectos internos en la pieza provocando su inutilidad para el objeto de su diseño.
•
Aunque son evidentes las desventajas de la utilización de mazarotas por los propios costos que supone su implementación y extracción.
•
El sistema de alimentación debe diseñarse de forma que se aporte el suficiente metal líquido en el molde asegurando su aporte a las zonas calientes en todo momento, esto quiere decir que la alimentación o reservorios de alimentación deben solidificar o enfriarse después del modelo.
Las mazarotas se diseñan de formas distintas:
Mazarota superior es aquella que se conecta a la superficie superior del fundido.
Mazarota lateral es aquella que se adjunta al lado del fundido por medio de un canal pequeño.
Mazarota ciega es aquella que está cerrada por completo dentro del molde.
Mazarota abierta es aquella que está expuesta al exterior en la superficie superior del marco superior. Tiene la desventaja de permitir que escape más calor, lo que favorece la solidificación más rápida.
Tipos de mazarotas
1. 2. 3. 4. 5.
Pieza Mazarota superior abierta Mazarota lateral abierta Bebedero Embocadura del bebedero
Mazarota lateral y ciega
Diseño de la Pieza, para evitar la formación del rechupe
DISEÑO DE LA MAZAROTA O ALIMENTADOR Objetivo: evitar que el vacío o rechupe, generado por la contracción del metal al pasar de la fase liquida a la fase solida, se dé en la pieza.
DEFINICIÓN DE MAZAROTA es una prolongación de la pieza que tiene como misión servir de reserva de aleación líquida, la cual, en el momento de su solidificación, debe haber compensado las pérdidas de volumen que resulten de las diversas contracciones que experimenta la aleación.
Requisitos que debe verificar la mazarota, para cumplir su objetivo: 1. La mazarota debe permanecer derretida hasta que después de que el fundido se solidifica. Es decir, ser la última en enfriar TST mazarota > TST pieza ; con esa condición se calcula el diámetro y la altura de la mazarota. 2. Estar ubicada en el punto de concentración de calor, esto implica que en cada punto caliente se debe ubicar una mazarota. 3. Tener el volumen suficiente para compensar la contracción de solidificación de la pieza y de ella misma. 4. Estar ubicada en una posición que mantenga presión de líquido para ingresar el material dentro de la pieza
Forma de la mazarota La forma ideal es una esfera. La forma práctica es cilíndrica; con H/D = 0.6 á 1.8
=
FORMAS FUNDAMENTALES DE ALIMENTADORES
6,7
4,7
3,76
3,13
En la Tabla 7.14: Utilizando la Regla de Chvorinov, se muestra la influencia de la superficie del objeto en el tiempo de solidificación de 4 sólidos de igual volumen y de diferentes formas (esfera, cilindro, prisma cuadrado y prisma
Calculo del diámetro (Dm) y altura (Hm) de la mazarota •
•
Utilizando mazarota cilíndrica. Para cumplir con el primer requisito que debe verificar la mazarota, se considerará que el tiempo de solidificación de la mazarota sea 1,5 veces el tiempo de solidificación de la pieza.
Donde:
Dm V A r Hm
= Diámetro de la mazarota = Volumen de la pieza = Superficial de la pieza, por donde pierde calor. = Relación entre la altura y el diámetro de la mazarota. = Altura de la mazarota
NÚMERO DE MAZAROTAS: Se determina en función de 3 opciones
1. De acuerdo al número de zona de concentración de calor (puntos calientes): Si la pieza es de sección no uniforme, se evalúa el número de puntos de concentración de calor (concentración de masa),académicamente se recomienda una mazarota por cada punto caliente.
2. De acuerdo a la distancia efectiva de alimentación: Para piezas de sección constante, con el fin de garantizar la alimentación durante la solidificación, se evalúa con la Distancia máxima que puede alimentar la mazarota en Sección uniforme.
A) En Barras Ancho > 3 Espesor
B) Placas de acero Ancho > 3 Espesor
3. De acuerdo a la cantidad de material requerido para compensar la contracción de la pieza y de la mazarota, para evitar que el vacío alcance a la pieza, debemos de tener presente. •
El volumen del vacío generado por la contracción de solidificación (volumen del
Rechupe: VR) •
•
•
Para mazarotas cilíndricas VR < 14% del volumen de la mazarota ………………(a) Para mazarotas esféricas VR < 20% del volumen de la mazarota Considerando que el VR = Vp * Csf + Vm * Csf
………………….(b)
Juntando las condiciones (a) y (b) , se concluye que Vp = Vm . #m. (14% - % Csf) / %Csf. Vp = volumen de vacío dejado por el modelo de la pieza Vm = volumen de la mazarota calculada. Csf = contracción de solidificación,
#m = número de mazarotas
Dimensiones del cuello de la mazarota
RENDIMIENTO O EFICIENCIA DE LA FUNDICION
Ó =
° ∗
APLICACIONES EJERCICIO N°01.- Debe diseñarse la mazarota para un molde de fundición en arena. El fundido en sí es una placa rectangular de acero con dimensiones de 7,5 cm x 12,5 cm x 2,0 cm. Observaciones anteriores indican que el tiempo total de solidificación (TTS) para este fundido es de 1,6 min. La mazarota cilíndrica tendrá una relación diámetro a altura de 1,0. Determine las dimensiones del vertedor de modo que TTS = 2,0 min SOLUCIÓN: • Determinamos la relación V/A para la placa. • Su volumen V = 7,5 x 12,5 x 2,0 = 187,5 cm3 • El área de su superficie es A = 2 (7,5 x12,5 + 7,5 x2,0 + 12,5 x 2,0) = 267,5 cm2 • Dado que TTS = 1,6 min , se determina la constante del molde Cm a partir de:
=
=
,
= 3,26 ,
= ,
Diseñamos la mazarota, de modo que su tiempo total de solidificación sea de 2,0 min. • Empleamos el mismo valor de la constante del molde. • El volumen de la mazarota está dado por: •
. . = •
El área de la superficie está dada por::
2.. A = π. . ℎ 4
•
Como D = H ; sustituimos D por H en las fórmulas del volumen y área, obteniendo.
. = 4 •
=
.. . +
= 1,5
Así, la razón V/A = D/6 , utilizando la ecuación de CHVORINOV, se tiene
= 2,0 = 3,26
= 0,09056
= 22,086 = 4,7 •
Como H = D, entonces también H = 4,7 cm
EJERCICIO N°02.- En la figura adjunta, se muestra el modelo no recuperable, de una pieza, que será obtenida por fundición de aluminio, en molde de arena, conociendo : volumen del modelo =.13,573.8 cm3 superficie del modelo = 4,908.7 cm2 temperatura de colada del aluminio 800 °C Considerando utilizar mazarotas cilíndricas, superior, con relación H/D = 1,2 Estimando que el volumen del bebedero y otros es el 10% del volumen del modelo. Considerando que la relación del tiempo de solidificación de la mazarota y de la pieza es 1,4:
Determine: 1. El diámetro mínimo de la(s) mazarota(s), en cm., utilice el método del modulo de solidificación. 2. La longitud máxima y la sección mínima del cuello de la mazarota, en cm. 3. El número mínimo de mazarotas requeridas, para una adecuada alimentación.. 4. La cantidad mínima de metal que se debe fundir para llenar el molde, en Kg. 5. La energía térmica que se necesita para fundir el material, en Kilocalorías. 6. El tiempo de llenado de la “pieza” y de la(s) mazarota(s) en segundos, considerando la sección de descarga del bebedero = 10 cm2. SOLUCIÓN: 1. Sabiendo que: TST mazarota = 1,4 TTS pieza Reemplazando valores tenemos: .
=
. 1,4 .
1,2 4 1,7
= 1,4
13573.8 = 1,4 4908.7
. .
, ,
= 18,54 cm
H =1,2 x 18,54 = 22,25 cm 2. Utilizando las recomendaciones dadas por J.F. Wallace, tenemos: Lc < 18,54/2 < 9,3 cm , se utiliza
Lc = 4 cm
Dc = 4 cm + 0,2 x 18,5 = 7,7 cm
3. Numero mínimo de mazarotas: Analizando las 3 condiciones: a) #mazarotas = puntos de concentración de calor = 0 1 mazarota b)
# =
− , +
#m = (0.5 x 25 cm – 2 x 2.5 x 5 cm)/(18.54 + 2 x 2 x 5) = 0.37 c)
1 mazarota
Vp = Vm . #m. (14% - % Csf) / %Csf. # = . 14%
#maz. = 13,573.8 cm3 /[/4 x 1.2 x 18.543 cm3 (14%-7%)/7% ] = 2.2 mazarotas Por lo tanto, se utilizaran 3 mazarotas de Ø18.54 cm.
4.
V molde = V modelo + 10% V modelo + 3 V
mazarota
M = 2.70 g/cm3 x (13,573.8 cm3 x 1.1 + 3 /4 x 1.2 x 18.543 cm3) = 88.964 kg 5.
Energía térmica (H) H = 88964 g (0.21 cal/g°C (660-25) °C + 105 cal/g + 0.18 cal/g°C (800-660)°C = 23446462.2 calorías.
H = m {Cs ( Tf Ta) + Cf + Cl (Tc –
–
Tf)}
CALORIAS
6. Llenado pieza.
t pieza = 13573.8 cm3/[10cm2 [(2 x 980cm/s2 22.25 cm)1/2] llenado mazarota
tmazarota = 3 /4 x 18.542 cm2 x (22.25cm) / 10cm2 x [(2 x 980cm/s2
22.25 cm)1/2]
C Donde TMF = tiempo de llenado del molde, s ; V = volumen de la cavidad del molde, cm 3 (pulg3), y Q = gasto volumétrico. El tiempo de llenado del molde calculado por medio de la ecuación C debe considerarse un tiempo mínimo
EJERCICIO N°03.- Una cantidad suficiente de cobre puro se va a calentar para fundirse en una gran placa en un molde abierto. La placa tienen las dimensiones L = 0.5 m, A = 0.25 m y P = 0.07 m. Calcule la cantidad de calor que debe añadirse al metal para calentarlo a una temperatura de vaciado de 1100 ºC. Suponga que la cantidad de metal calentado va a ser 10% mayor que lo que se necesita para llenar la cavidad del molde. Las propiedades del metal son densidad = 8980 Kg/m3, punto de fusión = 1080 ºC calor específico del metal = 389 J/Kg ºK en el estado sólido y 376.812 J/Kg ºK en el estado líquido y el calor de fusión = 186080 J/Kg.
EJERCICIO N°04.- Un molde tiene un bebedero de colada de longitud = 150 mm. El área de la sección transversal en la base del bebedero es 3 cm2. El bebedero conduce a un canal horizontal que alimenta la cavidad del molde, cuyo volumen es 114 cm 3. Determine: a) La velocidad del metal fundido que fluye a través de la base del bebedero de colada, b) La velocidad volumétrica de flujo. c) El tiempo requerido para llenar la cavidad del molde.
EJERCICIO N°05.- La cavidad de un molde tiene forma de cubo, 100 mm por lado. Determine las dimensiones y volumen del cubo final después de enfriarse, a temperatura ambiente, si el material para la fundición es cobre. Asuma que el molde se llena al empezar la solidificación y que la contracción ocurre uniformemente en todas direcciones.
EJERCICIO N°06.- Se sabe que en la fundición de acero bajo ciertas condiciones, la constante del molde para la regla de Chvorinov es Cm = 2 min/cm 2, según experiencias previas. La fundición es una placa plana cuya longitud = 30 cm, ancho = 10.cm y espesor = 2 cm. Determine cuánto tiempo tomará la fundición para solidificar.
EJERCICIO N°07.- Una fundición de acero tiene forma cilíndrica con 10 cm. de diámetro y pesa 90 N. Esta fundición tarda 6.0 minutos en solidificar completamente. Otra fundición de forma cilíndrica con la misma relación diámetro a longitud pesa 53 N. Y está hecha del mismo acero y bajo las mismas condiciones de vaciado y molde. Determine: a) La constante del molde en la regla de Chvorinov, b) las dimensiones y el tiempo total de solidificación de la fundición más ligera. La densidad del acero es 13 kg/cm3.
EJERCICIO N°08.- Se diseña una mazarota cilíndrica para un molde de fundición en arena. La longitud del cilindro es 1,25 veces su diámetro. La fundición es una plancha cuadrada que mide 25 cm por lado, y su espesor = 1.9 cm. Si el metal es hierro fundido y Cm = 2 min/cm2 en la regla de Chvorinov, determine las dimensiones de la mazarota de manera que tome 30% más del tiempo establecido para solidificarse.
EJERCICIO N°09.- Se va a diseñar una mazarota cilíndrica con una relación de altura a diámetro = 1.0 para un molde de fundición en arena. La forma geométrica de la fundición se ilustra en la figura. Sí C m es 3 min/cm2 en la regla de Chvorinov, determine las dimensiones de la mazarota de manera que se solidifique 0.5 minutos después que la fundición.
EJERCICIO N°10.- Se diseñará una mazarota en forma de esfera para un molde de fundición de acero. La fundición es una placa rectangular con una longitud = 200 mm, ancho = 100 mm y espesor = 18 mm. Si se sabe que el tiempo de solidificación total es 3.5 min, determine el diámetro de la mazarota de manera que tarde en solidificar 25% más del tiempo establecido.
