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UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA “JOSÉ SIMEÓN CAÑAS” ASIGNATURA: TECNOLOGÍA MECÁNICA. CATEDRÁTICO: JAIME ERNESTO MORÁN. TEMA EXPUESTO: REPORTE DE FUNDICIÓN DE ALUMINIO. ALUMNOS: RIGOBERTO ARNULFO ORELLANA CANALES - 00084312 DIEGO JOSE VÁSQUEZ ORTIZ – 00092012 NICOLÁS EDUARDO OCON CRUZ – 00075309 ANTIGUO CUSCATLÁN, 22 DE JUNIO DE 2013.

fundicion 5

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Se realiza el reporte de fundicion en materiales de aluminio

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UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA

“JOSÉ SIMEÓN CAÑAS”

ASIGNATURA:

TECNOLOGÍA MECÁNICA.

CATEDRÁTICO:

JAIME ERNESTO MORÁN.

TEMA EXPUESTO:

REPORTE DE FUNDICIÓN DE ALUMINIO.

ALUMNOS:

RIGOBERTO ARNULFO ORELLANA CANALES - 00084312

DIEGO JOSE VÁSQUEZ ORTIZ – 00092012

NICOLÁS EDUARDO OCON CRUZ – 00075309

ANTIGUO CUSCATLÁN, 22 DE JUNIO DE 2013.

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INTRODUCCIÓN.

El presente trabajo contiene el procedimiento efectuado para llevar a cabo una fundición de

metales, el cual contempla desde los cálculos de materia prima como la arena y aluminio, diseño

de moldes, hasta la fundición misma, efectuada en el campus de la UCA.

En el ámbito de la fundición, un requisito indispensable generar un molde con la suficiente dureza

en la arena, que sea capaz de soportar cargas sin que esta se desplome, y sin efectos de humedad

dentro de ella, pues estas razones provocarían una mala realización de la fundición.

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CÁLCULOS DE LAS PARTES DEL MOLDE.

La fundición consiste en cambiar de fase un metal (De solido a liquido), elevando su temperatura

más allá del punto de fusión del mismo; esto hace que el metal fluya, pues al cargarse energía

calorífica, los átomos vibran e inicia su difusión interna, por esta razón, para realizar el cálculo de

aluminio que se necesita fundir, es necesario fundamentarlo mediante las ecuaciones de

mecánica de fluidos.

Por el teorema de Bernoulli, se sabe que:

(1)

Donde kp: coeficiente de pérdida, pero para el molde tiene valor de 0.

Por la ecuación de continuidad en los fluidos, se utilizara la fórmula:

(2)

Asumiendo que:

Porque no se toma en cuenta los efectos de la presión atmosférica en el metal.

Pues al depositarse el líquido en los conductos, la velocidad es nula.

Se obtiene:

(3)

Despejar la velocidad, resulta que:

√ ( ) , donde que es, la altura en el embudo de vertido.

Figura 1: Esquema de molde para fundición.

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Al aplicar el teorema de Bernoulli en diámetro 1 y 3, queda que:

√ Donde (4)

Con la ecuación de continuidad en diámetro 2 y 3:

√ (5)

Entonces:

(6)

De esta manera, se tomó como referencias iniciales: Diámetro 1= 7 cm Diámetro 2 = 4 cm hc= 3 cm

Antes de calcular el diámetro 3 y ht es necesario calcular el volumen y el área superficial de

nuestra pieza a fundir, razón por la cual se tomó la medida de la masa del engrane en una balanza,

y se obtuvo que:

Al tomarse como parámetro la densidad del aluminio: ⁄

Y sabiendo que:

, se obtuvo el volumen:

v= 120

Área superficial, AS= 220.2

Por lo que, se calcula el módulo de la pieza y da por resultado:

Modulo pieza= 0.54

Teóricamente, el módulo de la mazarota es 1.2 veces el módulo de la pieza

Modulo mazarota = 0.65

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Y se diseñará una mazarota cilíndrica, cuyo diámetro de esta es igual a su altura, y es igual a 6

veces su módulo, entonces:

Dmazarota = Hz = 3.9 cm

Pero al reajustar los cálculos del área superficial de la pieza, quitándole el espacio ocupado por la mazarota y por la piquera se obtiene que: Modulo pieza = 0.58 Modulo mazarota = 0.7 Dmazarota = hz = 4.2 cm

La mazarota está dentro de los márgenes de la pieza, pero aún falta recalcular estos datos

ajustando diámetro de la piquera.

Ht entonces será igual a 10.2 cm

Y, calculando el diámetro 3 con la formula anteriormente planteada y obtenemos que:

Diámetro 3= 3 cm

Y reajustando los módulos, resulta que: Modulo pieza = 0.6 Modulo mazarota = 0.72 Dmazarota = hz = 4.3 cm Ht = 10.3 cm

En resumen:

ɸ1 = 7 cm ɸ2 = 4 cm ɸ3 = 3 cm ɸpiquera = 3 cm hc = 3 cm ht = 10.3 cm hpiquera = 1.5 cm hpieza = 4.5 cm hmazarota = ɸmazarota = 4.3 cm

Calculo de cantidades de arena y bentonita

Para estos cálculos se va hacer una primera aproximación de los volúmenes del molde:

Hmolde= 30 cm Largo molde = 45 cm Ancho molde = 20 cm

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Vmolde = 27000 Vmazarota = 62.45 Vpieza= 120 Vpiquera = 10.6 Vpozo = 9.9 Vconducto = 91.89 Y para obtener la altura y – 7.3 tenemos que:

, donde y = 27.54, por lo que la segunda altura es 20.24 cm

Y para obtener el volumen de este conducto:

( ), y se obtiene que el volumen es 69.72

Y para encontrar el conducto que contiene al área 1 y 2 se usa la misma lógica matemática y se

obtiene que el volumen sea:

( ), y se obtiene que el volumen es 73.1

Por lo tanto el volumen de vacío en nuestro molde es de: 437.7

Cantidad de aluminio

Entonces:

, y se sabe que la densidad del aluminio es de 2.7 g/

Entonces la masa de aluminio que necesitamos es de 1.18 Kg

Cantidad de arena y bentonita

Volumen que nos queda es de 26562.3

Y el 85% de este volumen es arena, por lo que el volumen de arena es de 22577.9

Y la masa de arena necesitada se obtiene con la fórmula de masa planteada

anteriormente, sabiendo que la densidad de la arena es de 1.9 g/ por lo que la masa

necesitada es de: 42.9 Kg.

El 15% restante es de bentonita y debemos tener un volumen de este compuesto de

3984.4 .

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PROCESO DE CONSTRUCCION DE MOLDE

Se comienza diseñando las semicajas, para esto se tiene que tomar en cuenta la forma de las

piezas del vacío que tendrán las cajas. En el caso del molde construido, primeramente se tomó en

cuenta que la base de arena sería de 1.5 cm, seguido de la mitad del conducto horizontal, y este

contiene la mitad también del pozo, esto anterior es la primera semicaja, para este molde con un

ancho total de 4 cm (1.5 cm de base de arena, 1 cm del pozo, mas la medida de 1.5 cm del

conducto). Esta pieza se sacaría hacia arriba, como se observa en las figuras 3 y 4.

Figura 3: Colocación del molde en semi caja Figura 4: Diseño de molde

La segunda semicaja, contiene la otra mitad del conducto horizontal, con el resto del pozo,

también se incluyó 1.5 cm de la parte inferior del embudo de entrada y la piquera, cuya medida es

de 1.5 cm. Esta semicaja tendrá un ancho de 3 cm (1.5 cm del conducto y resto del pozo, y 1.5 cm

del embudo de entrada y piquera) y está diseñada de tal manera que la pieza se retirará por bajo

del marco (Figuras 5 y 6).

Figura 5: Semi caja que contiene la segunda parte del Figura 6: Diseño del molde de la segunda semi caja molde

La tercera semicaja contiene la parte central del embudo (bebedero), y todo el engrane, excepto el

disco superior que tenia la pieza ocupada, con un ancho de 0.5 cm. Esta caja posee un ancho de 4

cm. Se diseñó de tal manera que las dos piezas que hacen el vacío en la arena se extraigan hacia

arriba.

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Figura 7: Semi caja que contiene el engrane y parte de la Figura 8: Diseño del molde de la tercera semi caja piquera

La ultima semicaja es la que contiene la parte superior del embudo, y del disco que hacía falta del

engrane, junto a la mazarota; esta semicaja tenía un ancho de 4.8 cm, 4.8 cm exactos del embudo,

junto con 0.5 cm del disco faltante de nuestra pieza, más 4.3 cm de alto de la mazarota dichas

piezas se diseñaron de modo que el embudo salga hacia arriba, y que la pieza del disco y de la

mazarota salga del marco hacia abajo.

Figura 9: Semi caja que contiene la mazarota y parte de la Figura 10: Diseño del molde de la cuarta semi caja piquera

Finalmente, la caja se diseñó con un ancho de 11 cm, y un largo de 26.5 cm, con la altura sumada

de las semicajas de 15.8 cm.

Posteriormente, se mandan hacer las semicajas y las piezas de vacío en volumen, en madera

donde un carpintero, con las medidas exactas, para así evitar que el aluminio fundido se derrame.

Cuando ya se tienen las semicajas, y los volúmenes, así como la arena, la bentonita, se procede a

fabricar el molde. La arena debe ser de mar, y debe estar seca, luego de secarla, se limpia de todas

impurezas que podría tener, como basura, piedras y conchas, mediante una zaranda.

Luego, se procede a mezclarle la bentonita, en un porcentaje del 15% de la cantidad de arena

total. A medida que se le vaya agregando a la arena, la consistencia, compactibilidad y adherencia

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de esta irá cambiando. Cuando ya se tenga bien mezclado todo, se procede a humedecer la arena

(no debe de ser abundante agua). Si la arena esta húmeda pero al hacer de la prueba de

compactibilidad con la mano, si esta no se mantiene compacta, requiere de mayor bentonita, pero

si mantiene la forma con la prueba de la mano, pero se comporta de manera quebradiza, necesita

un poco más de agua.

Ya cuando se tiene la consistencia deseada de la arena, se está listo para proceder a realizar las

semicajas del molde. Cada semicaja se va rellenando de arena, con la pieza adentro que va

contenida en él, la posición de las piezas la va dictando la primera semicaja, todo debe ser

simétrico, ya que si no se perdería la continuidad del vacío (Como se observó en las figuras 3 – 10).

Cuando se va llenado la semicaja de arena, se debe compactar (con un martillo de hule por

ejemplo). La compactación de la arena no debe ser demasiado, debe ser de tal manera que la

arena mantenga la firmeza en el marco, así como la firmeza de la forma que se le dé con las piezas,

esto con el objetivo de que cuando el molde se llene de aluminio fundido, los vapores puedan

pasar por entre la arena, y así evitar que el molde explote.

Luego de hacer las semicajas se espera alrededor de 10 min, para poder extraer las piezas de

madera, para que quede solo el vacío, si no se hace esto es que la arena se secara y será muy

difícil de extraer las piezas, y se correrá el riesgo de que la arena se suelte, y por lo tanto se

perderá la forma que se le haya dado. Esto nos sucedió en nuestro molde, se dejaron las piezas

dentro de las semicajas, pero se logró sacar con pequeños golpecitos las piezas, evitando así el

daño total. Solamente se dañó la semicaja que contenía la pieza, ya que la pieza era de aluminio, y

arrastró consigo al intentar sacarla la arena.

Figura 11: Al no colocar la suficiente bentonita en la arena y dejar la pieza más de 10 minutos en espera, se corre el riesgo de dañar el molde.

La semicaja de la figura 12 se tuvo que volver a fabricar, y el procedimiento descrito falló en tres

ocasiones seguidas. Se procedió a llenar el engrane con grafito en polvo para lograr que deslizara

en la arena húmeda, y aun así fallo. Lo que realmente necesitaba la semicaja, además de la pieza

con grafito en polvo, era arena con más bentonita y con mayor compactación, y así se logró sacar

el engrane del molde. La mayor dificultad, para este caso, era que la los dientes de los engranes

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quedaran bien formados, pues cuando se intentaba retirar la pieza, la arena perdía la forma

deseada. Al hacer los cambios mencionados anteriormente se logró la fabricación de esta

semicaja.

Figura 12: Cuarto intento para lograr el molde del engrane.

Al finalizar los moldes, se deben secar alrededor de 24 horas, para que toda la humedad se

evapore, pues dicha humedad con el calor del aluminio fundido podría ocasionar que explotara el

molde, así la arena queda compacta y seca. Para una mayor optimización de eliminación de

humedad en el molde se colocó en un horno a 100°C, por casi 6 horas.

Después de esto se arman las semicajas, para tener el molde de arena listo para la colada.

Figura 13: Simulación de moldes listos para la colada de aluminio. Las piezas deben colocarse de manera simétrica para evitar derrames de aluminio.

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PROCESO DE COLADA Y EXTRACCION DE LA PIEZA

Todo el procedimiento siguiente debe realizar con indumentaria de protección, como gabachas,

botas con cubo de acero, guantes y delantal de cuero, protección de piernas, y gafas.

El aluminio que se ocupó para la fundición, provenía de una culata de motor de carro. La culata se

cortó de tal manera que, cada parte pudiera entrar al crisol.

9:00 AM: El horno se precalienta durante un tiempo, y poco a poco el obrero encargado iba

colocando dentro del crisol los pedazos de aluminio, a medida que se iba fundiendo el aluminio

que iba colocando, introducía más y lo movía dentro del crisol, para lograr abarcar la mayor

cantidad de aluminio dentro del crisol.

El aluminio dentro del crisol se llevó hasta los 750°C, y tardó alrededor de unos 30 minutos en

fundirse completamente.

Figura 14: Introducción del aluminio dentro del crisol.

9:50 AM: Cuando el aluminio estaba totalmente líquido se procedió a mezclarle las sales, para que

la escoria por reacciones de las sales con el aluminio salieran a la superficie de la fundición (debido

a que su densidad es mucho menor que la del aluminio), y pudieran ser sacadas. Se mezcló con el

aluminio: 3gr de sal común (NaCl), 3 gr de Cloruro de Potasio (KCl). Cuando la escoria esta sobre el

aluminio fundido el obrero procedió a sacarla mediante una cuchara, y la colocaba dentro de un

recipiente metálico. Luego al aluminio fundido se le suministra un flujo de Nitrógeno durante dos

minutos, a razón de 6 Litros/minuto, con el fin de que la escoria al fondo de la fundición saliera a la

superficie para poder ser removida.

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Figura 15: Retiro de escorias del aluminio fundido Figura 16: Flujo de nitrógeno a razón de 6 lt/min

Figura 17: Escoria resultante de la fundición de aluminio.

10:00 AM: El obrero junto a un ayudante procedieron a la colada principal, que es cuando el

aluminio fundido se retira del crisol y se coloca en un recipiente que lo contendrá mientras este se

vaya colando en cada uno de los moldes. Cuando el aluminio ya se tiene en este recipiente, se va

depositando en cada uno de los moldes, y estos deben estar secos para evitar que el agua

contenida en la humedad de la arena se convierta en vapor, el cual deformará la pieza deseada o

en casos más extremos, que el molde explotare y causare accidentes. Se deposita aluminio hasta

que los moldes hasta que el bebedero y la mazarota estén completamente llenos.

Figura 18: Colada del aluminio Figura 19: Deposito de aluminio en el molde.

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10:05 AM: Luego de verter el aluminio en los moldes, se logró observar rechupe en la mazarota.

Se esperó alrededor de unos 10 min para que el aluminio adquiera la dureza requerida, y se

comenzó a desarmar las semicajas, hasta tener la pieza totalmente afuera, y con la ayuda de un

cincel y un martillo se desprendió la arena que quedó pegada a la pieza, y se colocó en agua a

temperatura ambiente para que el engrane se enfríe y así poder ser manipulado por nuestras

manos.

Figura 20: Finalización de fundición de aluminio. Figura 21: Separación de arena y la pieza

fundida.

Figura 22: Separación de arena en el área del engrane. Figura 23: Pieza obtenida de la fundición de aluminio.

Figura 24: Simulación de pieza fundida, de acuerdo al diseño establecido

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Se esperó a que se enfríe la arena que queda del molde, para luego seleccionar la reutilizable y la

que debe descartarse. Para esta selección, se usa el criterio que la arena ya demasiado dura y

quemada es la que ya no se vuelve a usar, está casi siempre es la que estuvo más en contacto con

el aluminio fundido, y la arena reutilizable es la más blanda, y casi siempre es la que se encuentra

a la orilla del molde.

Luego de la selección de la arena, se procedió a recuperar el engrane de la pieza total proveniente

de la fundición, para esto se separó el segmento alojado entre la mazarota y la piquera, y le se

realiza el maquinado que sea necesario para lograr los acabados finales, el aluminio que quedó

puede volver a fundirse para producir otra pieza.

Figura 25: Izquierda – Engrane utilizado como base. Derecha – Engrane obtenido de la fundición de aluminio.

Datos importantes:

7.3 Kg arena preparada total usada

3.5 Kg de arena preparada no reutilizable

3.8 Kg de arena preparada reutilizable

1.5 Kg es la masa de la pieza total sacada del molde

Eficiencia térmica del horno utilizado es de 15%

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DIAGRAMA DE PROCESO DE FABRICACION DE LA PIEZA

Arena y bentonita para

arena preparada

Mezcla

Preparacion de Moldes

Secado

Fusion

Colada

Enfriamiento

Extraccion

Acabado

30 min

Perdida de arena preparada 47.9%

Al líquido a 750°C

Cantidad de

combustible

6 gr de

sal

2.9 Kg de

aluminio

Arena reutilizable

Aluminio reciclado

10 min

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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

La fabricación de piezas a través de moldes de arena, son de una gran utilidad, ya que

hay ocasiones en el que la fabricación de ciertas piezas con geometrías muy complejas

es demasiado difícil de realizarlas a través de maquinado, y resulta mucho mas fácil

realizar esta geometría por medio de una fundición, dándole forma al material fundido

a través del molde de arena.

Para la realización de un molde de arena, hay que diseñar bien cada uno de sus

componentes y ser exacto a la hora del armado, ya que si no se hace de esa manera,

los conductos no convergerán en un eje de simetría, y el material fundido no podrá

desplazarse con normalidad dentro del molde.

La humedad es el agente que puede provocar mayores daños en la fundición, ya que

afecta desde la fabricación del molde y hasta en la realización de la colada. Cuando se

está haciendo la preparación de la arena esta debe estar seca, para que la bentonita

pueda mezclarse en toda la arena; y al momento de tener el molde armado, se debe

cerciorarse que se encuentre completamente seco, ya que si se le coloca el material

fundido y este está húmedo, la humedad se convertirá en vapor de agua, y hará que el

molde explote.

A la hora de realizar todo el proceso, hay que seguir una secuencia, y no dejar ningún

detalle sin hacer, ya que estos procesos son muy delicados, y hay que estar consciente

del trabajo que se está realizando.

Es esencial, desde la experiencia de fabricar este molde, el uso de grafito en polvo en

las piezas que le darán el vacío al molde, ya que esto permitirá que la pieza se deslice

en la arena preparada. Al mismo tiempo, no se debe esperar que la arena seque

completamente para sacar las piezas del molde, el tiempo de espera es alrededor de

10 minutos para sacar las piezas cuidadosamente.

Es de suma importancia, saber cuántos materiales de los utilizados son los que

podemos volver a utilizar en la siguiente colada que se pudiera realizar, y de esta

manera se podrá calcular de igual manera los costos de fabricación.