01-CAPITULO 01

FUNDICIN Y COLADA

CAPTULO11.1. Definicin1.2.Conceptos de colada1.3.Clculo del tiempo de llenado y de solidificacin1.4. Clculo de mazarotas1.5. Clculo de moldes1.6.Clculo de la presin de trabajo1.7.Clculo de la resistencia de una aleacin de zamac1.8. Clculo de la energa calorfica en un proceso de colada1.1. DEFINICINEl proceso de colada permite obtener piezas o lingotes, slidos, a partir del metal lquido, el cual hemos conseguido por procesos extractivos y de afino sobre sus minerales.Constituye un proceso principal de cabecera que suministra tanto piezas con su ltima forma definitiva, como lingotes que constituyen la materia prima para otros procesos, como la laminacin, o como la obtencin de polvos para Pulvimetalurga.El proceso de colada consiste simplemente en llenar un molde con el material fluido, el cual toma la forma del molde al solidificar.Los procesos de colada permiten obtener piezas con formas diversas y complejas en todo tipo de materiales metlicos, cermicos y polimricos.1.2. CONCEPTOS DE COLADA Colabilidad. Propiedad que mide la capacidad de alcanzar los puntos alejados de la alimentacin del molde. Contraccin. Diferencia entre las dimensiones del molde y de la pieza colada una vez fra. Esto es debido a la contraccin de la masa lquida durante el enfriamiento, a la contraccin durante el cambio de lquido a slido y a la contraccin que experimenta la masa solidificada durante el enfriamiento. Energa calorfica que se debe aportar al material en el proceso de colada. Ser la suma del calor para elevar la temperatura desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de fusin, ms el calor de fusin ms la temperatura para elevarlo desde la temperatura de fusin hasta la de vaciado.H = V [Cs (Tm To) + Hf + Cl (Tp Tm)]donde H = calor total requerido; = densidad (g/cm3); Cs = calor especfico en peso para el mate- rial slido (J/g C); Cl = calor especfico en peso para el material lquido (J/g C); To = tempera- tura ambiente (C); Tm = temperatura de fusin (C); Tp = temperatura de vaciado (C), y V = volumen (cm3). Eutctica. Aleacin de composicin y temperatura de fusin definidas. Funde a menor temperatu- ra que la de los slidos que la forman. Se define por el equilibrio. Liq Sol1 + Sol2. Ley de continuidad. Establece que la velocidad volumtrica del flujo permanece constante a travs del lquido.Q = v1 A1 = v2 A2donde Q = velocidad de flujo volumtrico o caudal (cm3/s); v = velocidad de un punto de la masa lquida (cm/s), y A = rea de una seccin transversal del lquido. Mazarota. Depsito de metal fundido, caliente, destinado a alimentar el molde y llenar las cavida- des de contraccin originadas en la solidificacin. Modelo. Pieza de madera u otro material, de la misma forma que la pieza que se desea obtener, con dimensiones ligeramente superiores, para compensar la contraccin del metal despus de colado. Molde. Cavidad o hueco que reproduce la forma exterior de la pieza que se va a colar. Regla de Chvorinov. Indica que el tiempo total de solidificacin de la fundicin despus del vacia- do depende del tamao y forma de la pieza. Segn la relacin:V nA )donde TST es el tiempo de solidificacin total; V, el volumen de la fundicin; A, rea superficial de la fundicin; n, un exponte que toma el valor 2 generalmente, y Cm, la constante del molde. Teorema de Bernouilli. Establece que la suma de las energas (altura, presin dinmica, energa cin- tica y presin) en dos puntos cualesquiera de un lquido que fluye son iguales.1 2 P2 2h1 + + + F1 = h2 + + + F2g g2g

g g 2gdonde h = altura (cm); P = presin en el lquido (N/cm2); r = densidad (g/cm3); v = velocidad de flujo (cm/s); g = constante de aceleracin de la gravedad (981 cm/s2) y F = prdidas de carga debi- do a la friccin (cm). Tiempo requerido para llenar el molde:V MFT = Qdonde V es el volumen de la cavidad; Q, la velocidad volumtrica de flujo, y MFT, el tiempo de lle- nado. Zamac. Aleacin de Zn y Al.Fundicin y colada 31.3. CLCULO DEL TIEMPO DE LLENADO Y DE SOLIDIFICACINProblema 1.1 1Se pretende obtener una pieza cilndrica de volumen 1.000 cm3, en un molde de arena en el cual se ha diseado un bebe- dero de colada de 5 cm de longitud y una seccin de 1 cm2, tal y como muestra laFigura 1.1. 2a) Cul es el tiempo mnimo requeri- do (ausencia de fricciones) para el llenado de la pieza?b) Cul es el tiempo de solidificacin 10de la pieza, considerando una cons- tante cm = 0,46 min/cm2 y n = 2?

v = 1.000 cm3

Figura 1.1SolucinPLANTEAMIENTOEl objetivo del problema es determinar el tiempo de llenado y solidificacin en el proceso de colada de una pieza.1. Tiempo mnimo requerido para el llenadoPrimeramente calcularemos la velocidad del flujo en el bebedero de colada. Aplicando el teorema de Bernouilli entre el punto 1 y 2 de la Figura 1.1, prescindiendo de las prdidas por friccin y trabajan- do a presin atmosfrica tendremos:2 21 2h1 + = h2 + 2g2gsiendo v1 la velocidad en la parte superior del bebedero y v2 en la base del bebedero. Y tomandoh2 = 0.vh1 = v2 = )2gh2gv2 = )2 981 5 = 99,05 cm/sAplicando la ley de continuidad, calcularemos la velocidad del flujo volumtrico:Q = v A = 99,05 (cm/s) 1 cm2 = 99,05 cm3/sEl tiempo requerido para llenar la cavidad de 1.000 cm3 es:V 1.000 cm3MTF = = = 10,1 sQ 99,05 cm3/s2.Tiempo de solidificacin de la piezaV nello necesitaremos conocer el rea y volumen de la pieza cilndrica.u D hV = 1.000 cm3 = D = 11,28 cm (r = 5,64 cm)4

A ) ; paraPara el rea consideraremos dos veces las superficies circulares y el permetro por la altura, as:A = 2 u r h + 2 u r 2 = 354,49 + 19,86 = 554,35 cm2Sustituyendo en la regla de Chvorinov:1.000 cm3554,35 cm = 1,5 minutos tardar en solidificar.1.4. CLCULO DE MAZAROTASProblema 1.2Para el problema anterior, calclese cul sera la dimensin y forma de una mazarota, para evitar los posi- bles defectos si sta no existiera.Solucin PLANTEAMIENTO Consideraciones previas: El metal en la mazarota ha de permanecer en fase lquida ms tiempo que el de la fundicin; por lo tanto: TSTmazarota > 1,5 minutos. El metal que permanezca en la mazarota es un metal de desperdicio, el cual ha de extraerse, refun-dirse y utilizarse en fundiciones posteriores; por lo tanto, la forma geomtrica de la mazarota ha de intentar maximizar la relacin entre el volumen y el rea, lo que tiende a reducir el volumen de la mazarota al mximo. Utilizaremos el mismo valor de la constante ya que tanto la fundicin como la mazarota estn en el mismo molde.1. Clculo de las dimensionesTomaremos el tiempo de solidificacin en la mazarota un 20% mayor que en el molde.TST = 1,5 min 1,2 = 1,8 minComo la fundicin y la mazarota estn en el mismo molde: Cm = 0,46; n = 2.V n V 2V V u r 2 h

A )r h = 1,978 = 2 ; = = AA2 u r 2 + 2u r h

2 r + 2 hSabiendo que D = h o D/h = 1, relacin que implica mximo volumen en mnima superficie(2r = h)r h = 2 r h = 4 (r + h)2. Forma de la mazarotaLa de la Figura 1.2.

2 r

+ 2 hr (2 r) = 4 (r + 2 r)2 r2 = 12 rr = 0r = 6 cm h = 12 cm12 cm12 cmFigura 1.2Problema 1.3Se pretende disear una mazarota de forma esfrica, 2 para un molde de fundicin de acero, con forma rec- tangular, cuyas medidas son: longitud, 200 mm; anchura, 100 mm, y espesor, 20 mm (Figura 1.3).Ensayos previos nos permiten conocer el tiempode solidificacin: 4 minutos.20Cul debe de ser el radio de la mazarota para que el tiem-po de solidificacin supere en al menos el 30% el de la placa metlica?

0Figura 1.3SolucinPLANTEAMIENTOPrimeramente calcularemos la constante Cm (min/cm2), y n = 2V nA )Calculemos el volumen de la placa: V = 20 10 2 = 400 cm3.Calculemos el rea de la placa: A = 2 (20 10) + 2 (20 2) + 2 (10 2) = 520 cm2.400 2520 )

Cm = 6,76 min/cm2Con ello, como el molde es el mismo, utilizaremos la misma Cm. Calculemos el nuevo TST: TST = 1,3 4 = 5,2 minutos.4u r3Volumen de la esfera = ;rea de la esfera = 4u r234u r35,2 = 6,76 5,2 = 6,76 { 3 ) 0,77 = {

2 r = 2,63 cm o D = 5,26 cm4u r2 3 )1.5. CLCULO DE MOLDESProblema 1.4Queremos obtener un cubo de 100 cm de lado mediante un molde de arena, abierto a la superficie. Con- siderando la reduccin del nivel causada por la contraccin del lquido durante el enfriamiento, la reduc- cin de altura causada por la contraccin por solidificacin, y la contraccin trmica del slido, calclese el lado del molde necesario para obtener estos 100 cm de lado, siendo el material para la fundicin el alu- minio.SolucinPLANTEAMIENTODebemos tener en cuenta la Tabla 1.1 que indica las contracciones que sufren los metales de fundi- cin en el lquido, en el cambio de fase y en el enfriamiento del slido; de esta manera, podremos cal- cular la sobredimensin del molde.Tabla 1.1Contraccin metal lquidoContraccin por solidificacinContraccin trmica del slido

Al0,5%7,0%5,6%

Cu0,5%4,5%7,5%

1. Determinacin del tamao del moldeA la vista de la tabla anterior, el volumen final ser:V = l 3 0,995 0,93 0,944 = (100 cm)3Contraccin metal lquido

Contraccin por solidificacin

Contraccin trmica slido1.000.000l 3= l = 104,61 cm de lado, lo que, con las contracciones, nos proporcionael cubo de 100 100 100 cm.2. Determinacin del tamao del molde si existiera una mazorta que proporcionara el aluminio fundidoSlo tendramos que tener en cuenta la contraccin trmica del slido, as:l 3 9,944 = (100 cm)3 l = 101,94 cm

1.6. CLCULO DE LA PRESIN DE TRABAJOProblema 1.5En una empresa, se estn realizando mejoras en la calidad del producto. Se sabe que reduciendo el tama- o de los poros la calidad de las piezas aumentara. El tamao de los poros est ligado directamente con la presin de trabajo (vase la Figura 1.4).Si se est trabajando con presiones de 3 Mpa, cunto tendramos que aumentar sta para reducir los poros en un 20%?543D = 2,4087o 1,10332100510152025Presin MpaFigura 1.4SolucinPLANTEAMIENTOHaremos uso de la grfica de la Figura 1.4 que relaciona la presin a aplicar con el tamao de poro deseado.1.Determinacin del tamao del moldeEl dimetro de los poros actualmente es:D = 2,41 31,1033 = 0,72 mmEl tamao de los poros que estamos buscando ser:D = 0,72 0,8 = 0,576 mm2. Clculo de la presin a aplicarLuego la presin a la que debemos trabajar ser:0,576 = 2,41 o1,10330,2390 = o1,1033ln o = 1,2972 o = 3,66 Mpa (debemos aumentar la presin en un 22%)1.7. CLCULO DE LA RESISTENCIA DE UNA ALEACIN DE ZAMACProblema 1.6Queremos disear una biela de zamac. Los ensayos previos a la realizacin del diseo mostraron el gr- fico anexo (Figura 1.5), en el que se relaciona la resistencia a rotura y el espesor de zamac conforme al modelo R = 220 + 135 e1,864 (donde R representa la resistencia a rotura, y e el espesor de la pieza).Se proponen dos diseos diferentes, diseo 1 y diseo 2, con un espesor de 1,2 mm y 1,5 mm, res- pectivamente, y la misma longitud. Cul ser la variacin en porcentaje de la fuerza mxima que sopor- ta cada uno de los diseos?360340320300280260240220200

1,01,2

1,4

1,61,82,02,2Espesor (mm)Figura 1.5SolucinPLANTEAMIENTOHaremos uso de la grfica de la Figura 1.5 que relaciona la resistencia con el espesor de la pieza.1. Clculo de la fuerza para cada diseoEn el diseo 1 (espesor 1,2), tendremos una resistencia a la ruptura:R = 220 + 135 (1,2)1,864 = 316,1 N/mm2Como R = F (N)/A(mm), tenemos que F1 = 316,1 (N/mm2) 1,2 (mm2) = 379,32 N. En el diseo 2 (espesor 1,5 mm), tendremos una resistencia a la ruptura:R = 220 + 135 (1,5)1,864 = 283,40 N/mm2F2 = 283,40 1,5 = 425,1 N2. La variacin de la fuerza mximaF2 F1

425,1 379,32 100 = 100 = 10,76%F2 425,1Es el aumento de la fuerza en el diseo 2 frente al diseo 1.1.8. CLCULO DE LA ENERGA CALORFICA EN UN PROCESO DE COLADAProblema 1.7Determnese la energa necesaria para llevar una carga de una aleacin eutctica de aluminio-silicio has- ta 50 C por encima de su temperatura de fusin, a partir de los datos siguientes: Masa de la carga ........................................................ 500 kg Temperatura ambiente ................................................20 C Temperatura de fusin ............................................... 574 C Calor latente de fusin ...............................................93 cal/gramo Calor especfico en estado slido .............................. 0,23 cal/gramo C Calor especfico en estado lquido ............................. 0,28 cal/gramo C Densidad en estado slido ......................................... 2,7 g/cm3Determnese el coste energtico por kg para la fusin, sabiendo que el sistema funciona con energa de combustibles derivados del petrleo de poder calorfico 9.000 kcal/kg, y de precio 0,75 /kg, siendo el rendimiento del proceso (calor equivalente aportado a la carga/calor total suministrado en la combus- tin) del 30%.SolucinPLANTEAMIENTOPrimero, determinaremos la energa calorfica que se debe aportar al material en el proceso de la cola- da. Despus, calcularemos la cantidad de combustible para este aporte calorfico. Finalmente, halla- remos el importe por kilogramo de combustible.1. Clculo del aporte calorficoH = g V [Cs (Tm To) + Hf + Cl (Tp Tm)]H = 500 103 (0,23 cal/g C) (574 20) + 93 cal/g + 0,28 (624 574) = 117.210.000 calH = 117.210 kcal117.210Como slo se aprovecha el 30% tenemos: H = kcal = 390.700 kcal0,32.Clculo de la cantidad de combustible necesaria390.700 kcalCombustible = = 43,41 kg9.000 kcal/kg3.Costo energtico

Precio = 43,41 kg 0,75 /kg = 32,56 Precio por kilogramo de masa:

32,56 = 0,0651 /kg500 kgv

v

P

1

2

v

v

2

)

{

r

0,995 0,993 0,944

Dimetro de poros (mm)

R (N/mm2)