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FUNDICIÓN DE METALES
ING. ROLANDO PORTUGAL
SEGUNDA UNIDAD
PROCESOS DE MANUFACTURA
Al final de la unidad el alumno identificará los principios involucrados en la transformación de metales a partir del estado líquido y determinará las condiciones para obtener un componente por fundición
CONTENIDO
Fundición de metales, características del proceso, etapas y operaciones. Procedimientos de fusión y colada. Solidificación y alimentación de fundiciones. Principales métodos de fundición en moldes desechables y en moldes permanentes. Defectos de fundición. Consideraciones para el diseño de piezas fundidas.
OBJETIVOS DE LA UNIDAD
• Identificar los fenómenos de fusión y solidificación de metales y su relación con las propiedades del componente
• Identificar las etapas de obtención de un producto por fundición.• Calcular el tiempo de llenado del molde y el empuje metalostático
ejercido.• Calcular los requerimientos de alimentación de una pieza
fundida.• Identificar los principales procesos de fundición en moldes
desechables y en moldes permanentes.• Analizar los principales defectos de una pieza fundida, sus
causas y las medidas preventivas.
LECTURAS ASIGNADAS
Groover, sección 4.1: Propiedades volumétricas y de fusión (p. 68)
Groover, sección 4.2: Propiedades térmicas (p. 70)
Groover, sección 6.2.2: Producción de hierro y acero (p. 98)
Groover, capítulo 10: Fundamentos de la fundición de metales (pp. 194 a 213)
Groover, capítulo 11: Procesos de fundición de metales (pp. 214 a 256)
(Groover, 3ª edición, 2007)
BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA
Groover Mikel (2010) Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes and Systems, 4ª ed. John Wiley & Sons
Capello, Edoardo (1966). Tecnología de la fundición. Gili. Barcelona.
Flinn Richard W (1963) Fundamentals of metals casting. Massachusetts: Addison Wesley.
Heine, Richard, Loper, Carl (1967) Principles of metal casting. 2ª ed. McGraw-Hill, New York.
Taylor, H Flemings M y Wulf J. (1962) Fundición para ingenieros. Cecsa. México
Titov, N Stepanov Yu (1981) Tecnología del proceso de fundición. Mir. Moscú.
Wagonoff, Nicolás (1958) Fundición centrifugada. (1958). Alsina. Buenos Aires.
Wlodawer, R (1966) Directional solidification of steel casting. Pergamon.London.
Las materias primas para fabricar los metales férricos son el mineral de hierro, el carbón y la piedra caliza.
FUNDAMENTOS DE LA FUNDICIÓN DE METALES
Introducción Fusión y colada: tiempo de llenado del molde Solidificación y enfriamiento: Relación de ChvorinovAlimentación de las fundiciones: Mazarotado.Modelos para la fundición: CorreccionesEmpuje metalostático
ING. ROLANDO PORTUGAL
SEGUNDA UNIDAD
PROCESOS DE MANUFACTURA
CONTENIDO
Fundición de metales, características del proceso, etapas y operaciones. Procedimientos de fusión y colada. Solidificación y alimentación de fundiciones.
"Nunca consideres el estudio como una obligación, sino como una oportunidad para penetrar en el bello y maravilloso mundo del saber".Albert Einstein (1879-1955) Científico alemán
OBJETIVOS
• Identificar las etapas de obtención de un producto por fundición.
• Explicar las propiedades de las mezclas de moldeo utilizadas en la elaboración de moldes y machos.
• Identificar los fenómenos de fusión y solidificación de metales y su relación con las propiedades del componente.
• Describir los hornos de fundición y explicar el principio de funcionamiento.
• Calcular el tiempo de llenado del molde• Dibujar los componentes de un sistema de alimentación y
explicar la función que realizan.• Calcular los requerimientos de alimentación de una pieza
fundida• Explicar las diferentes características que se exigen en los
modelos.• Calcular el empuje metalostático.
PRODUCCIÓN POR FUNDICIÓN
Definiciones:
La fundición puede definirse como, el ramo de la tecnología de los metales que se ocupa de la fabricación de objetos, mediante la introducción de metal líquido en el interior de moldes previamente preparados. Los objetos fabricados por éste método reciben el nombre de piezas fundidas, mientras que al proceso de fabricación se le conoce como proceso de fundición.
•Fusión del metal•Colada: llenado del molde•Enfriamiento / solidificación•Desmoldeo: extracción de la pieza del molde•Acabado
El proceso de fundición comprende las siguientes etapas:
• La fundición puede producir formas complejas con cavidades internas o con secciones huecas.
• Puede producir piezas muy grandes.• Puede utilizar materiales para la pieza de trabajo que serían
difíciles o no económicos de procesar utilizando otros métodos.
• La fundición es competitiva en comparación con otros procesos.
• Limitaciones en las propiedades mecánicas y presencia de porosidad en las piezas.
• Baja precisión dimensional y deficiente acabado superficial de algunos procesos, como la fundición en arena.
• Riesgos en la seguridad de los trabajadores debido a la elevada temperatura de fusión de algunos metales.
• Problemas de contaminación ambiental en la mayoría de los procesos.
Ventajas
Desventajas
Ventajas y desventajas del proceso de fundición
Fabricación del modelo
Fabricación de machos o corazones
Fabricación del molde(Molde desechable)
En coquilla(molde permanente)
Preparación de la coquilla
Preparación de la mezcla de fundición
Fusión del metal
Recomposición yCierre del molde
Colada
Enfriamiento/solidificación
Desmoldeo
Limpieza y acabado
Inspección
Proyecto y diseñoOperaciones auxiliares
Operaciones eventuales
Diagrama de bloques del proceso de fundición de metales
Tratamiento térmico, recubrimientos y similares, mecanizado
PROCESOS DE FUNDICIÓN
Moldes desechables• Los moldes son utilizados solo
una vez, pues se destruyen completamente después de cada colada.
• Ventaja: permite formas más complejas.
• Desventaja: los rangos de producción están limitados por el tiempo que demora fabricar el molde y en general el proceso de fundición.
Moldes permanentes• Son los llamados moldes
metálicos (coquillas) y pueden ser utilizados cientos de veces, obteniéndose la cantidad correspondiente de piezas.
• Ventaja: los rangos de producción son altos.
• Desventaja: la geometría de las piezas es sencilla, limitada por la facilidad de salida del molde una vez solidificada.
Terminología: molde de fundición
Con la ayuda del diccionario y el texto, traduzca la terminología para el molde mostrado en la figura.
Tarea
La cavidad de vertido, bebedero, canal y ataques constituyen el sistema de conductos de colada, encargados de conducir el metal líquido hacia la cavidad del molde.
Pouring System
Más adelante se estudiará con más detalle.
HORNOS DE FUNDICIÓN
CLASIFICACIÓN
Hornos de combustión
Utilizan como fuente de calor la combustión de alguno de los elementos de la aleación
Convertidores:
Metal-combustible separadosMetal-combustible juntos: H. Cubilote
Hornos eléctricos
a) De arcob) De resistenciac) De inducción
Horno de arco indirecto
H. Cubilote
Horno eléctrico de inducciónHorno de Arco directo
Tipo de energía Horno Aplicación
Química Combustible sólido
Combustible granular (cisco)
Combustible líquido
Combustible gaseoso (gas)
Eléctrica Arco
Inducción
Resistencia
Cubilote
Horno de hogar abierto (Siemens Martin)
Horno rotatorio
Horno de crisol (de gas o petróleo)
Horno de arcoDirectoIndirecto
Horno de inducciónDe alta frecuenciaDe baja frecuencia
Horno de resistencia
Hierro colado, a veces aleaciones de cobre
Acero
Hierro colado, acero, aleaciones de cobre, metales ligeros
Metales y aleaciones no ferrosas
Acero, hierro colado
Acero, hierro coladoCobre, aleaciones de aluminio
Acero aleado, a veces hierro colado y aleaciones de aluminio y de cobre.
HORNOS PARA FUNDIR LOS METALESLa fusión es un proceso físico que consiste en hacer pasar los metales y sus aleaciones del estado sólido al estado líquido, aplicando determinada cantidad de calor bien definida y característica para cada metal o aleación.
La cantidad de calor, expresado en calorías, necesario para elevar 1 ºC ( de + 14,5 ºC a + 15,5 ºC) un kilogramo de metal, se llama calor específico del metal o aleación y se expresa en kcal/kg .ºC
Este calor específico varía sensiblemente con la temperatura y con el tipo de metal o aleación. Para la fundición, por ejemplo, es de 0,07 a 0,11 kcal/kg ºC entre 0 y 200 ºC; de 0,15 a 0,16 entre 0 y 1000 ºC; y de 0,19 a 0,20 entre 0 y 1350 ºC.
CALOR ESPECÍFICO
LECTURAS ASIGNADAS:Groover, sección 4.2: Propiedades térmicas (p. 70)Groover, sección 6.2.2: Producción de hierro y acero (p. 98)
Metal o aleaciónTemperatura
de fusiónºC
Calor específico del sólido
Cs (kcla/kg ºC)
Calor específico del líquido
Cl
(kcal/kg ºC)
Calor latente de fusión
hf
(kcal/kg)
EstañoPlomoZincMagnesioAluminioLatónBronceCobreFundición grisFundición blancaAceroNíquel
232327420650657900
900 a 96010831200110014001455
0,0560,0310,0940,250,230,0920,090,0940,160,160,120,11
0,0610,040,121
----0,39--------
0,1560,20------------
146
287285--------4370----5058
Tabla XI Constantes físicas de algunos metales y aleaciones
Fuente: Capello, E. Tecnología de la fundición, p. 148
Calor requerido por el metal: HLa energía calorífica requerida para calentar el material en el horno corresponde a la suma de:
• Calor de calentamiento hasta la temperatura de fusión: Hc
• Calor latente de fusión: Hf
• Calor de sobrecalentamiento: Hs
H = Hc + Hf + Hs
mplfms TTChTTCVH 0
donde Cs y Cl es el calor específico del metal (Btu/lbm.ºF; J/g. ºC)
Sea: Hhorno = calor entregado en el horno
= Rendimiento térmico del horno = H / Hhorno
(10.1)
CALOR REQUERIDO POR EL METAL
Tiempo empleado en la fusión:horno
horno
PH
PotenciaEnergía
t
Ejemplo 1:
Calcular la cantidad de calor requerido para fundir y sobrecalentar 1000 kg de fundición gris de + 15 ºC hasta 1 350 ºC.
SOLUCIÓN
Teniendo en cuenta la expresión (10.1) y la Tabla XI;Temperatura inicial T0 = 15 ºCTemperatura de fusión Tm = 1200 ºC Tabla XITemperatura de sobrecalentamientoTp = 1 350 ºC Tabla XIMasa de metal m = V = 1 000 kgCalor específico del estado sólido Cs = 0,16 kcal/kg ºC Tabla XICalor específico del estado líquido Cl = 0,20 kcal/kg ºC Tabla XICalor latente de fusión hf = 70 kcal/kg Tabla XI
12001350*20,070151200*16,01000 H
kcalH _2986006,298100030706,198*1000
Calor total necesario para fundir y sobrecalentar 1000 kg de fundición gris de + 15 ºC a 1350 ºC es de 289 600 kcal
Calor requerido para fundir un metal
Cal
or p
or u
nid
ad d
e un
idad
de
mas
a, B
tu/lb
Aplicable solo para metales puros: h = hc + hf + hs
HORNOS ELÉCTRICOS
Hornos de resistencia eléctrica
«La energía eléctrica llega al horno en forma de corriente trifásica procedente de los transformadores con secundario en estrella o en triángulo»
«La energía eléctrica se transforma en energía térmica según la ley de Joule»
Ley de Joule:
«El calor generado en un circuito eléctrico es igual al cuadrado de la intensidad de corriente I2, por la resistencia óhmica R, por el tiempo t en segundos durante los cuales fluye la corriente, por 0,000 24, que es la cantidad de calor en calorías desarrollada por un amperio que pasa por un conductor con resistencia de 1 ohm durante un segundo»
Es decir;
H = 0,000 24 I2 . R . t (kcal) = 0,24 I2 . R . t (cal)
Y en una hora;
H = 0,000 24 I2 . R . 3 600 (kcal)
Para I = 1 A y R = 1
Resulta;
1 W h = 0, 864 kcal1 kWh = 864 kcal
1 kWh = 3 600 kJ
La potencia en vatios es:RE
RIW2
2 *
Siendo la fuerza electromotriz: E = R . I
Ejemplo 2:
Retomando el ejemplo 1, hemos visto que para fundir y sobrecalentar 1000 kg de fundición gris de + 15 ºC a 1350 ºC hacían necesario unas 289 600 kilocalorías. Si la operación se realizase en un horno eléctrico, y dado que 1 kWh = 864 kcal se deduce, mediante una regla de tres simple, que necesitamos, aproximadamente:
289 600/864 335 kWh
Este es un valor teórico, en tanto que el consumo efectivo para la fusión de una tonelada de fundición en el horno de arco es de, como valor medio, 650 kWh; el rendimiento térmico viene a ser entonces de apenas: 335/650 = 0,515 o % 51,5%
En los hornos de alta frecuencia, el consumo es menor y el rendimiento térmico se encuentra entre 65 al 67%.
AleaciónConsumo teórico por
1000 kg de metal(kWh)
Consumo efectivo por 1000 kg de metal
(kWh)
Rendimiento térmico
(%)
LatónCobreduraluminio
160185280
220350560
735350
Consumos específicos de energía en los hornos de baja frecuencia
Equivalente mecánico del calor: 1 cal = 4,186 J ; ó 1 J = 0,24 cal
1 Btu = 1055 J 1Btu = 252 kcal
Factores de conversión:
Horno de reverbero (Siemens-Martin)
Convertidor de arrabio en acero inventado por Henry Bessemer
Horno de cubilote. Partes y estructura.
PROBLEMAUna planta de fundición funde una aleación ferrosa en un pequeño horno eléctrico de 6 toneladas métricas de capacidad. La eficiencia térmica del horno es de 45% y la potencia eléctrica consumida es de 8 500 kW. La temperatura promedio de fusión de la aleación es de 1 400 ºC y se sobrecalentará el metal líquido hasta una temperatura de 1 450 ºC. La cantidad de calor requerida para la fusión de la carga puede ser determinada aproximadamente a partir de los siguientes datos:
calor específica promedio del sólido : 0,13 cal/g ºC calor específica promedio del líquido : 0,18 cal/g ºC calor promedio de fusión : 65 cal/g
(a) Asumiendo que la carga eléctrica es uniforme durante todo el proceso, determine el tiempo requerido para la fusión de la carga.(b) Si el costo de 1 kWh es de $ 0.15, determine el costo de la energía eléctrica requerida para fundir una tonelada de metal.
(Considere 1 caloría = 4,186 joules)
SOLUCIÓN
(a) Determinación del tiempo requerido para la fusión de la carga.
mplfmsm TTChTTCmH 0.
mm hmH *
)()( 0 mplfmsm TTChTTCh
hf = 65 cal/g *4,186 J/cal*1000 g/kg = 272 090 J/kgCs = 0,13 cal/g ºC = 544,18 J/kg ºCCl = 0,18 cal/g ºC = 753,48 J/kg ºC T0 = 24 ºC
kgJhm /68,1058555
Donde;
Reemplazando valores, se obtiene:
SOLUCIÓN
mmhorno hmHH *11
m = 6 000 kgCs = 0,13 cal/g ºC = 544,18 J/kg ºCCl = 0,18 cal/g ºC = 753,48 J/kg ºC = 45%
JxJkgJkgH horno101041,1/68,1058555*6000
45,0
1
hm = 1 058 555,68 J/kg
min67,275,1660/10*8500
10*41,13
10
ssJ
JPotencia
Ht horno
(a) Determinación del tiempo requerido para la fusión de la carga.
Esto es; 27,26 min para fundir 6 toneladas
¿Parece razonable dada la potencia del horno?
SOLUCIÓN
(b) Determinación el costo de la energía eléctrica requerida para fundir una tonelada de metal.
kJhm
H mhorno _10*4,2352
45,06,1058*1000* 3
Energía requerida en el horno para fundir una tonelada:
Tiempo requerido para la fusión de una tonelada en el horno:
hsskJkJ
PotenciaH
t horno _077,075,276/_8500_10*4,2352 3
dólareshkWkWh
Costo _98077,0*8500*$
15,0
()
Otra forma;
De potencia: 1 kWh = 1000 W 3600 s = 3,6 x 106 J = 3 600 kJDe () 23 524 000 kJ/3 600 kJ/kWh =653,4 kWh
El costo por mantener encendido el horno este tiempo es:
dólareskWhkWh
Costo _98)(4,653*$
15,0
PROBLEMASe empleará un horno de arco eléctrico para fundir cobre y recalentarlo hasta 1 200 ºC. Para este metal se tiene:
temperatura de fusión : 1 080 ºCcalor específico del sólido : 0,094 kcal/kg ºCcalor específico del líquido : 0,156 kCal/kg ºCcalor latente de fusión : 43 kcal/kg
Considere la temperatura ambiente de 24 ºC y el rendimiento térmico del horno de 42%.Se desea procesar 500 kg de cobre por hora, determinar:
a) La potencia eléctrica , en kW, que deberá ser entregado al horno.b) El costo de energía eléctrica para fundir esta cantidad de metal,
sabiendo que el costo de 1 kWh es de $1.10.
(Nota: considere 1cal = 4,186 J)
Equivalente calórico de la unidad de trabajo eléctrico: 1 kWh = 860 kcal
De: Hansen A. MOTORES Y MÁQUINAS, Ed. URMO (p. 111)
También; 1 k W h = 3 600 kJ
Colada y Flujo del metal
• Número de Reynolds• Ecuación de Bernoulli• Continuidad
Colada (Pouring)
NÚMERO DE REYNOLDS (RE)El número de Reynolds es un número adimensional, establece la relación de momento (inercia) y la viscosidad:
idadvis
diámetrovelocidaddensidaddvcos
****Re
La importancia del número de Reynolds es la de poder definir si un determinado fluido está en régimen laminar (Re < 2 000), turbulento (Re > 4 000), o en la transición entre ambos.
Predomina la viscosidad
Predominan las fuerzas de inercia
El concepto de número de Reynolds es esencial para estudiar el movimiento de un fluido en el interior de una tubería, o alrededor de un obstáculo sólido.
ECUACIÓN DE BERNOULLI• Adecuada para calcular la velocidad de un fluido.• Consideraciones: estado permanente (steady state),
incompresible, flujo ideal no viscoso (invisid flow).
21222
111
22 fhhgvp
hgvp
p = presión g = gravedad = peso específicoh = altura v = velocidad hf = pérdidas por fricción
Consideremos un tubería cuyo eje longitudinal es horizontal, estando sus extremos separados por la distancia L. Si por la misma circula un caudal en régimen laminar, verificándose el movimiento permanente y uniforme, entonces la ecuación generalizada de Bernoulli es:
La pérdida de carga entre los extremos de la tubería vendrá dada por:
Para el caso, tenemos: v1 = v2 y h1 = h2 ; entonces:
ppp
f
2121
(10.2)
Ecuación de Hagen Poiseuille: laminar
Perdidas de Darcy-Weisbach: turbulento
LEY DE CONTINUIDAD
Otra relación importante durante la colada es la Ley de continuidad
Q1 = Q2
A1 v1 = A2 v2
Q = caudal A = área de la sección transversal v = velocidad
Se asume : flujo incompresible
(10.5)
Determinación de la geometría del bebedero, de modo que no se produzca aspiración de aire durante el llenado del molde (en ningún caso la presión deberá ser menor que la atmosférica)
hc
ht
1: nivel libre del líquido
2: parte superior del bebedero
3: parte inferior del bebedero
bebedero
Cavidad de vertido
Aplicando la ecuación de Bernoulli en los niveles (1) y (3):
313
233
1
2
11
22 fhhg
vph
gvp
Consideraciones:
La presión en todo el molde es la atmosférica: p1 = p3 La velocidad del metal en la cavidad de vertido es cero (reservorio): v1 = 0Con pérdidas de carga entre (1) y (3): hf Nivel de referencia (3): h3 = 0 ; h1 = ht
Reemplazando y simplificando en la ecuación de Bernoulli:
ft hg
vh
2
23
Velocidad en la base del bebedero:
)(23 ft hhgv
De igual modo entre los niveles (1) y (2):
212
222
1
2
11
22 fhhg
vph
gvp
Consideraciones:p1 = p2 ; v1 = 0 ; h1 = hc ; h2 = 0 ; hf = 0
De donde; chgv .22
Por continuidad: A2 v2 = A3 v3
De donde:f
c
f
c
h
h
hg
hg
v
v
A
A .2
.2
3
2
2
3
Sí, hf = 0; no siempre fhgv .23
(2)
(3)
Perfil parabólico
Procedimientos de colada del molde
•Llenado por arriba o directo•Llenado por la base o fondo•Llenado lateral
Factores que afectan el llenado del molde: Temperatura de colada Velocidad de la colada Turbulencia : (1) acelera la formación de óxidos, (2) erosión del molde
Llenado por arriba:Aplicando continuidad entre la base del bebedero; A3, y ataque(s), Aa:
Q = Aa*va = A3*v3 = Vmolde/tSe sobreentiende que la sección del canal (si lo hubiera) sería igual al ataqueAsumiendo Aa = A3 ; y despreciando la pérdida por fricción (no siempre)Velocidad en el ataque (s) : va = (2g*ht)Por tanto; Tiempo de llenado del molde:
taataqueataque hgA
moldeVolumenvAmoldeVolumen
t**2*
_*_
A3
Aa
Llenado por la base
En un diferencial de tiempo dt:Incremento de altura en el molde: dhCaudal en el molde : Qm = Am*dh/dtCaudal de metal por el ataque(s) : Qa = Aa*va,Donde;
ta hgv *2
Igualando ambos caudales: Qm = Qa
dthhgAdhA tam *)(*2*
t
m
a
h
t
dtAA
hh
dh
g
m
002
1
mtta
m hhhgA
At
2
2
Reacomodando términos e integrando;
Tiempo de llenado del molde:hm
h
Am = área de la sección transversal del molde
Aa = área de la sección transversal del ataque(s)
ht
Se asume que Aa es la menor sección del sistema de conductos llamada también sección de estrangulamiento Ae
SISTEMA DE CONDUCTOS DE COLADA, TÍPICO
(Pouring System)
Sistema de conductos de colada típico Pouring System
Objetivos del sistema de conductos de colada
1. Dirigir el metal dentro del molde con un llenado completo y rápido.
2. Reducir o prevenir la agitación o turbulencia.
3. Prevenir la aspiración de aire o gases en el flujo de metal.
4. Prevenir la presencia de impurezas, inclusiones, escorias, etc. separando o reflotando materiales extraños.
5. Distribuir el metal fundido con los menores obstáculos a fin de reducir la erosión del material del molde y machos y las consecuentes inclusiones de arena.
6. Lograr adecuadas gradientes térmicas para la correcta solidificación direccional y minimizar la distorsión.
7. Obtener formas con el mínimo costo de corte y amolado.8. Proveer facilidad de colada con equipo convencional.
Tomando en cuenta la relación entre las secciones transversales de la base del bebedero Ab, del canal Ac y los ataques Aa, se define la Relación de colada del proceso de fundición como:
Ab : Ac : Aa
EJEMPLO:Para un sistema con un bebedero de 9 cm2, un canal de 6 cm2 y dos ataques de 1,5 cm2 cada uno. La relación de colada de la fundición, será: Ab : Ac : Aa = 9 : 6 : 2*1,5 = 9 : 6 : 3Que suele expresarse como: Ab : Ac : Aa = 3 : 2 : 1
RELACIÓN DE COLADA
Para la fundición mostrada en la figura, identifique la relación de colada:
¿Un ataque o cuatro ataques?
Los sistemas a presión ( Aa < Ac ), permiten mantener el sistema de conductos siempre lleno de metal, y cuando se emplean varios ataques de la misma sección el flujo es aproximadamente el mismo en todos ellos. Estas características hacen que, para un valor de flujo dado, este sistema de conductos sea de un volumen menor, mejorando el rendimiento de la fundición. Los inconvenientes de los sistemas a presión se originan en las relativamente altas velocidades que pueden establecerse, las cuales producen fuerte turbulencia, borboteo del metal y erosión de las paredes del molde.
Los sistemas sin presión (Aa > Ac), establecen velocidades más bajas que los sistemas a presión, reduciendo así la turbulencia y el borboteo del metal al ingresar a la cavidad del molde, pero con ataques de igual sección se establece un flujo desigual a través de ellos. La energía cinética tiende a llevar el metal hasta los ataques más alejados y se hace necesario ir reduciendo la sección del canal después de cada ataque. Estos sistemas requieren mayores secciones de bebederos y ataques y por consiguiente son usualmente de mayor volumen que los sistemas a presión para un mismo caudal, lo que tiende a disminuir el rendimiento de la fundición.
SISTEMAS A PRESIÓN Y SISTEMAS SIN PRESIÓN
Fluidez del metal fundido
La fluidez es la capacidad del metal fundido para llenar el molde antes de enfriarse. La fluidez es la inversa de la viscosidad. Factores que afectan la fluidez: Temperatura de colada. Composición del metal (metal puro vs aleación sólida). Viscosidad del metal líquido. Calor transferido a los alrededores.
Ensayo de fluidez Se han desarrollado varios ensayos para
medir el valor de la fluidez, sin embargo ninguno es aceptado universalmente.
Un ensayo de la fluidez consiste en un molde en espiral sobre el cual se vierte metal líquido, la distancia recorrida por el metal sobre el canal espiral hasta antes de la solidificación determina la fluidez del metal (Índice de fluidez).
Solidificación y enfriamiento
Solidificación de los metalesTiempo de solidificaciónContracciónSolidificación direccional
SOLIDIFICACIÓN DE LOS METALESEl tipo de enfriamiento del metal en el molde afecta considerablemente el tamaño, forma y uniformidad de los granos, los cuales afectan las propiedades de la pieza fundida.
FACTORES IMPORTANTES:• Tipo de metal• Propiedades térmicas del metal y del molde• Relación volumen/Área de la pieza• La forma del molde
SOLIDIFICACIÓN DE LOS METALES
Metales puros y aleaciones eutécticas
Aleacionessólidas
Estructura cristalina
(a) Diagrama de fase para un sistema de aleación cobre-niquel(b) Curva de enfriamiento correspondiente a la aleación Ni-Cu
con una composición 50-50%, durante la fundición
Grano fino equiaxial o «chill»
TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL MOLDE
Tiempo de solidificación
Relación de Chvorinov:
V = volumen de la pieza fundida
A = área de enfriamiento de la pieza
= constante del molde
Ejemplo : Para acero en molde de arena verde: = 2,14 min/cm2
La relación V/A se conoce como módulo de enfriamiento:
Módulo de enfriamiento: M = V/A
y el tiempo de solidificación se puede expresar como: t = M2
2
AV
t
Espesor de pared sólida ”d” después de transcurridos un tiempo “t”:
t
d
222
..
dA
dA
A
Vt
Considere un instante con una pared sólida de metal,d, junto al molde y metal líquido hacia el centro del molde después de transcurridos t (s)
Tiempo t (s)0d
L
Aplicando la relación de Chvorinov a la sección L*d:
De la expresión; el espesor de pared sólida luego de transcurridos «t» segundos es:
Líquido Sólido
CONTRACCIÓN EN LA SOLIDIFICACIÓN Y ENFRIAMIENTO:La contracción causa cambios dimensionales y algunas veces agrietamiento. Se establece tres tipos de contracción:Contracción líquida (Cl ), contracción de solidificación ( Cs) y Contracción sólida (Cso)
Figura 10.8 Contracción de una fundición cilíndrica durante la solidificación y enfriamiento: (0) inicio del metal fundido inmediatamente después de la colada; (1) reducción del nivel causado por la contracción del líquido durante el enfriamiento; (2) reducción de la altura y formación de una cavidad de contracción causada por la contracción de solidificación; y (3) reducción adicional de la altura y diámetro debido a la contracción térmica durante el enfriamiento del metal sólido. Las reducciones dimensionales están exageradas para mayor claridad del concepto.
RECHUPES EN LAS PIEZAS FUNDIDAS:
Tipos de rechupes:(a) Piping (b) gross shrinkage(c) Centerline (d) microshrinkage
Características de la solidificación de placas
Tabla 10.1 de contracción volumétrica para diferentes metales (G. p. 207)
Según FLINT,T. se trata de una “contracción técnica” que depende de: Tamaño de la pieza; Dilatación del metal; Cesión de la arena; Gases desprendidos.
Referencia: Datsko J. Material Properties and Manufacturing Processes
CONTRACCIÓN EN LA SOLIDIFICACIÓN Y ENFRIAMIENTO
La excepción de la tabla 10.1 es el hierro colado gris con alto contenido de carbono, cuya solidificación se complica por la existencia de un período de grafitización durante las finales de la solidificación, lo que origina una expansión que tiende a compensar la disminución volumétrica asociada al cambio de fase.
Modelo de carcasa de turbina
SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL
• Para minimizar los efectos dañinos de la contracción, es conveniente que las regiones de la fundición más distantes de la fuente de alimentación de metal líquido solidifiquen primero y que la solidificación progrese desde estas regiones hacia la(s) mazarota(s).
• De este modo, el metal líquido continuará disponible en las mazarotas para prevenir las cavidades de contracción durante la solidificación.
• El término solidificación direccional describe cabalmente este aspecto del proceso de solidificación y sus métodos de control.
Cuando la solidificación progresiva domina a la direccional
Referencia: SYLVIA Gerin J. CAST METALS TECHNOLOGY, Addison_Wesley, London, 1972 (cap. 7, p. 142)
¿CÓMO CONSEGUIR DIRECCIONAR LA SOLIDIFICACIÓN?
La solidificación direccional deseada se logra aplicando de regla de Chvorinov al diseño de la pieza fundida, a su orientación dentro del molde y al diseño del sistema de alimentación (mazarotas).
Localice las secciones de la fundición de menores relaciones V/A lejos de las mazarotas, la solidificación aparecerá primero en estas regiones, y el suministro de metal líquido para el resto de la fundición permanecerá abierto hasta que solidifiquen las secciones más voluminosas.
Los enfriadores (chills) ,internos o externos, causan un enfriamiento rápido de las regiones donde se encuentren ubicados. Los aislantes producen un efecto contrario
Figura 12.8 (a) Enfriadores externos para acelerar la solidificación en el cruce de las placas y (b) probable resultado de la pieza con el rechupe interno.
Mazarotas (feeder heads or riser)Mazarota (feeder heads or riser), reservorio de metal líquido conectado a una pieza que suministra metal adicional para alimentarla durante la fase de solidificación, a consecuencia del requerimiento de los fenómenos de rechupe y de contracción en el líquido.
Diseño de las mazarotas Ubicación de la mazarota Forma de las mazarota Dimensiones de la mazarota
Determinación de las dimensiones: Métodos1) Método de la circunferencia inscrita2) Método de Caine3) Método de N.R.L. (Naval Research Laboratory)4) Método del Módulo
X = relación de solidificaciónYCAINE Yreal (Pieza sana ó sólido)YCAINE > Yreal (Pieza rechupada)
TWL
formadeFactorFF
__
cby
axHipérbola
:
MÉTODO DEL MÓDULO
Considerando la pieza fundida y la mazarota como elementos independientes:
1. Condición del tiempo de solidificación: tm tf
(a) Para mazarotas normales: Mm2 Mf
2 ó Mm Mf
Como condición mínima para acero se encuentra experimentalmente que:
Mm 1,2 Mf
b) Para mazarotas con manguitos aislantesCuando se empleen manguitos aislantes se deberá disponer de la información suministrada por los fabricantes sobre las características de estos manguitos. Una de las formas consiste en especificar el factor de extensión del módulo, e, que relaciona los módulos de la mazarota normal y la mazarota con manguito aislante que solidifica en el mismo tiempo que la mazarota normal:
a
n
MM
e
Mn = módulo de la mazarota normalMa = módulo de la mazarota con manguito aislante
2. Condición de distancia efectiva
Una mazarota sólo puede ejercer su acción hasta una cierta medida a partir de su borde. Esta distancia se conoce como distancia efectiva de alimentación y para un material dado depende principalmente de las proporciones de la sección y del espesor T del elemento alimentado
3. Condición de entrega volumétrica
La mazarota debe suministrar suficiente metal líquido para compensar la contracción volumétrica de la pieza fundida. En consecuencia, el volumen de la cavidad de contracción de la mazarota debe ser igual o menor que la máxima entrega de metal que puede suministrar la mazarota.
Si se define como eficiencia de la mazarota, , la relación:
= Vol. metal disponible para la alimentación(V )/Vol mazarota (Vm)
se deberá tener:
V = Cs (Vf + Vm) .VmReferencias:[1] Taylor, H. F. M. C. Flemings y J. Wulff: Fundición para ingenieros, Cecsa, México, 1962.[2] Wlodawer, R.:Directional Solidification of steel castings, pergamon, London, 1966.
B BB EDB
T
T= espesor de la sección; B = distancia efectiva; E = efecto de extremo
Comportamiento de la mazarota: normal, aislada y exotérmica
Insulating compound = compuesto aislante como cerámica refractariaExothermic mixture = mezcla exotérmica como óxido de hierro con aluminio pulverizado
Modelos para fundición
Exigencias de un buen modelo de fundición1) Asegurar la obtención de la pieza de forma y dimensiones
adecuadas.2) Poseer alta resistencia y durabilidad.3) Ser ligeros y de fácil elaboración.4) Deben ser de fácil obtención y de bajo costo5) Deben ser poco sensible a los cambios de forma y dimensiones bajo
la acción de los agentes atmosféricos.
Materiales empleados en fabricación de los modelos1) Madera, para la producción unitaria y en pequeños lotes de piezas.2) Metálicos, para cientos o miles de piezas. Tienen mayor costo pero
son más duraderos.3) Cemento, Yeso, y4) Materiales orgánicos como la resina, el poliestireno y los plásticos
superligeros (poliespuma) que se emplean para fabricar modelos gasificables.
Exigencias tecnológicas de los modelosSuperficie de divisiónCorrección por contracción Los metales en estado sólido poseen generalmente menor volumen que en estado líquido, o sea, la inmensa mayoría de los metales se contraen a medida que se enfrían. Debido a esto, el modelo debe tener dimensiones que excedan a las de la pieza en una magnitud igual a la contracción sólida del metal (Cso, desde fin de solidificación a la temperatura ambiente).Así llamamos contracción lineal a la disminución porcentual de las dimensiones lineales de las piezas, en relación con las dimensiones correspondientes del modelo según el cual se fabricó la pieza.
%100*mod
pieza
piezaelol l
ll
Corrección por mecanizadoPara las superficies de una pieza fundida que requieren mecanizado posterior, debe preverse cierto exceso de material, lo que se toma en cuenta al fabricar el modelo de la pieza.El exceso de material depende de: (a) Tipo de producción ( en serie, unitaria); (b) Magnitud de la pieza; (c) Método de fundición; y (d) Tipo de aleación.
CORECCIONES DE LOS MODELOS DE FUNDICIÓNVALORES MEDIOS DE CONTRACCIÓN LINEAL DE ALGUNAS ALEACIONES
(tomadas de: E. Capello, Tecnología de la fundición)
ALEACIÓNDIMENSIONES DEL MODELO
CONTRACCIÓN(mm/m)
Piezas macizas(mm)
Piezas con machos(mm)
Fundición gris
Acero
Bronce (10% Sn)
Aluminio y aleaciones
hasta 600de 630 a 1200más de 1200
hasta 600de 630 a 1800más de 1800
hasta 1200de 1120 a 1800más de 1800
hasta 600de 630 a 920más de 920
hasta 450de 480 a 1200de 1200 a 1675
más de1675
hasta 600de 630 a 1200más de 1200
108,57
2015,51311
14
13 - 1512 – 1311 – 12
SOBREESPESORES TÍPICOS PARA MECANIZADO(Tomados de: L.E. Doyle y otros, Materiales y procesos de manufactura para ingenieros)
Fierro fundido(mm)
Acero(mm)
Latón, bronce y aluminio(mm)
En superficies exteriores
En superficies interiores y agujeros
2,5
3
3
5
1,5
2,5
Nota: Para superficies coladas en moldes de arena con dimensiones de hasta 300 mm
Corrección por ángulo de salidaLa superficie de trabajo del modelo debe tener una cierta inclinación que facilite la extracción del mismo, del molde y los machos de la caja de machos. La inclinación se mide en relación con la vertical o mediante el ángulo formado por la pared de la pieza con la vertical.Esta corrección depende de la técnica de moldeo y de la suavidad y grado de acabado del molde; así por ejemplo, en el moldeo manual empleando modelos de madera la inclinación de las superficies exteriores puede variar de 3º a 5º, de acuerdo a la calidad del modelo y en el moldeo en cáscara empleando modelos de material ferroso puede variar de 0,25º a 1º. Se recomienda emplear una mayor inclinación de salida para las superficies interiores que para las exteriores.
Línea de partición
(a) Modelo sin corrección, (b) con corrección
SEGURIDAD DEL MOLDE A LA PRESIÓN DEL METAL FUNDIDO
Presión metalostática
Puesto que un líquido dentro de un recipiente ejerce una presión en todas las direcciones, el molde debe ser lo suficiente resistente para soportar esta presión. La manifestación más característica de este fenómeno es la denominada presión metalostática (o empuje metalostático), que es la presión que ejerce el metal fundido sobre el semimolde superior (cope) intentando levantarla. Si el molde contiene machos, la presión contra el semimolde superior se ve aumentada también por la presión del macho. Los machos verticales lisos, es decir, machos con cantos rectos o machos tronco-cónicos apoyados en su base mayor no producen ningún impulso ascensional si están apoyados sobre la portada o en el fondo del molde y nada del metal fundido puede pasar por debajo de ellos. En oposición a esta presión total actúa el peso del semimolde superior.
F = E = H A (para superficie plana)F = E = V (para superficie no plana)
Donde:F = E = Empuje metalostático teórico (estático) (N)A = área de la superficie superior de la cavidad del molde (mm2)g = peso específico del metal líquido (N/mm3)H = altura de columna líquida del metal desde el nivel libre del líquido (cavidad de vertido) a la superficie superior de la cavidad del molde (mm)V = volumen por encima de la superficie superior de la cavidad molde hasta el nivel libre del líquido (mm3)Wss = peso del semimolde superior (cope), caja más arena (N)W = peso a colocar sobre el molde superior para evitar su apertura debido al empuje metalostático dinámico: Fd = F + f*F (N) ; W = Fd - Wss
W
Presión total = Presión sobre el área de la superficie superior del molde
Fuerza estática total: Fe = .A.h
Fuerza dinámica total: Fd = Fe + f*Fe
Donde: = peso específica del metal fundido, A = superficie superior del
molde, h = altura de la columna de líquido sobre la superficie, y f = factor
por cantidad de movimiento del metal dentro del molde (hasta 50%).
PRESIÓN DEL METAL FUNDIDO EN MOLDE METÁLICO
Fundición de una placa
superficie plana
Fuerza tota estática total:
Fe = Fuerza sobre la superficie superior del molde + efecto del macho
Fe = .V + ( - arena).Vmacho
Donde V = volumen sobre la superficie superior del molde.
(En caso de secciones circulares, hay que considerar como superficie la
proyección sobre el diámetro)
PRESIÓN DEL METAL FUNDIDO EN MOLDE METÁLICO
Fundición de un cilindro
superficie no plana
PROBLEMA 10Para la fundición de un cilindro hueco de diámetro exterior d2 = 220 mm, diámetro interior d1 = 160 mm y longitud l = 250 mm se ha confeccionado un molde con la disposición que se muestra en la figura. La densidad del metal a fundir es de 7,2 g/cm3 y la de la arena del macho es de 2 g/cm3. el peso de la parte superior del molde es de 50 kp y la altura de la cazuela de colada sobre la superficie de partición es h = 152 mm. Determinar, en caso de ser necesario, el peso con que habrá que cargar el molde para evitar su apertura al momento de la colada, considerando un exceso del 50% por cantidad de movimiento. Verificar la resistencia del macho a la flexión, considerándolo simplemente apoyado, si el máximo esfuerzo permisible es de 5 kp/cm2 .
PROCESOS DE FUNDICIÓN
Procesos en molde desechableProcesos en molde permanente
SEGUNDA UNIDAD
ING. ROLANDO PORTUGAL
PROCESOS DE MANUFACTURA
Groover, capítulo 11: Procesos de fundición de metales (pp. 214 a 256)
LECTURAS ASIGNADAS (Grover, 3ª edición, 2007
CONTENIDO
Principales métodos de fundición en moldes desechables y en moldes permanentes. Defectos de fundición. Consideraciones para el diseño de piezas fundidas.
OBJETIVOS
• Identificar los principales procesos de fundición en moldes desechables y en moldes permanentes.
• Analizar los principales defectos de una pieza fundida, sus causas y las medidas preventivas.
Procesos de fundición de metales
Molde desechable
Molde permanente
Modelo permanente
Modelo desechable
Moldeo en arenaMoldeo en cáscaraMoldeo al vacíoEn molde de yesoEn molde cerámico
Fundición por revestimiento (cera perdida)Con polietileno expandido
Permanente(corazón de
metal)
Semipermanente (corazón de
arena)
Al escurrido o huecaA baja presiónColada al vacío o Gravedad invertidaMatriz (dado): cámara cliente/cámara fría
Fundición centrífuga
Propiamente dicha semicentrífuga centrifugada
1. Fundición en arena Es el proceso más utilizado, y el de mayor producción Casi la mayoría de las aleaciones se funden en arena,
incluyendo metales de alta temperatura de fusión, como el acero, níquel (1455 ºC) y el titanio.
Es posible fundir desde piezas pequeñas a piezas de grandes dimensiones.
La cantidad de producción va desde una a millones de piezas.
2.Moldeo en Cáscara (Shell Molding) Proceso de fundición en el cual el molde es una cáscara delgada (aprox. 3/8 in) de arena aglutinada con resina termo-endurecible (resin binder)
Figura 11.5 Pasos en el moldeo en cáscara
Ventajas y desventajas del moldeo en cáscara
• Ventajas del moldeo en cáscara:– La superficie de la cavidad del molde es más liso que
el molde convencional y con un mejor acabado superficial
– El buen acabado superficial y la precisión dimensional evita muchas veces el maquinado posterior
– La colapsibilidad del molde minimiza el agrietado de la fundición
– Puede mecanizarse el proceso para una producción en masa.
• Desventajas:– Mayor costo del modelo – Dificultad para justificar el proceso para pequeños
volúmenes de producción
3. Moldeo al vacío (Vacuum Molding)
También llamado Proceso-V, emplea un molde de arena que se mantiene unido por presión de vacío en lugar de un aglutinante. Por tanto, el término vacío en este proceso se refiere a la manufactura del molde, más no a la operación de fundición en sí.
Figura 11.6 Pasos en el moldeo al vacío
4. Proceso con Poliestireno expandido
Utiliza un molde de arena compactada alrededor del modelo de espuma de poliestireno que se vaporiza al colar el metal fundido dentro del molde. • Otros nombres: proceso de espuma perdida, proceso de modelo
perdido, proceso de espuma evaporativa • El modelo de poliestireno incluye bebedero, mazarotas, sistema de
conductos de colada, y machos o corazones (si fuera necesario) • El molde no contiene plano de separación.
EPS (Expanded Polystyrene Process)
• Ventajas del proceso de poliestireno expandido:– El modelo no necesita removerse del molde – Simplificación y facilidad en la fabricación del molde,
porque no necesita de los dos semimoldes requeridos en la fundición en arena
• Desventajas:– Se requiere de un modelo para cada pieza fundida – La justificación económica del proceso de poliestireno
expandido depende en mayor medida del costo de producción de los modelos
Ventajas y Desventajas del EPS
• Aplicaciones:– Producción en masa de motores de automóvil. – Automatización y sistemas integrados de manufactura
empleados en el moldeo de modelos de espuma de poliestireno
5. Fundición por revestimiento (Investment Casting) Proceso a la cera perdida (Lost Wax Process)
El modelo hecho en cera se recubre con material refractario para fabricar el molde, después de esto, la cera se funde y evacúa antes de colar el metal fundido • El término “Revestimiento” (Investment) viene de la palabra “revestir”,
que significa “cubrir completamente”, esto se refiere al revestimiento de material refractario alrededor del modelo de cera
• Es un proceso de fundición capaz de hacer piezas de alta precisión e intrincados detalles
Figura 11.8 Pasos en la fundición por revestimiento
Ventajas y Desventajas de la fundición por revestimiento
• Ventajas:– Permite fundir piezas complejas e intrincadas– Buen control dimensional y acabado superficial – Recuperación de la cero para reutilizarla – Por lo general no requiere maquinado posterior
• Desventajas:– Su operación requiere muchos pasos– El proceso es relativamente costoso, por lo
expresado anteriormente
6. Fundición en moldes de Yeso (Plaster Mold Casting)
Son similares a la fundición en arena, excepto que el molde esta hecho de yeso (2CaSO4‑H2O)
• Se mezclan aditivos como el talco y la arena de sílice con el yeso para controlar la contracción y el tiempo de fraguado – Los modelos de madera no son apropiados debido al extenso contacto con
el agua del yeso, utilizando modelos de plástico o metal• La mezcla de yeso fluye alrededor del modelo, capturando los detalles y el
acabado de la superficie.
Ventajas de la fundición en moldes de yeso:– Buen acabado superficial y precisión dimensional – Capacidad para hacer fundiciones de sección transversal delgada
Desventajas:– El curado del molde no garantiza la ausencia de humedad causando
problemas en la fundición – La resistencia del molde se pierde cuando el yeso se deshidrata– Los moldes de yeso no pueden soportar temperaturas tan elevadas, por
tanto están limitados a fundiciones de bajo punto de fusión como aluminio, magnesio y algunas aleaciones de cobre
7. Fundición en moldes de cerámica (Ceramic Mold Casting)
Similar a la fundición en moldes de yeso excepto que el molde es hecho de material de cerámica refractaria que puede soportar temperaturas más altas que el molde de yeso.
• Puede utilizarse en la fundición de aceros, fundición de hierro, y otras aleaciones de temperatura elevada.
• Aplicaciones semejantes a aquellas en moldes plásticos excepto por la fundición de metales.
• Ventajas (buena tolerancia y acabado
superficial).
Ceramic mold casting
Procesos de fundición en molde Permanente
• La desventaja económica de los procesos en molde desechable es que requiere: un nuevo molde para cada fundición
• En la fundición en molde permanente, el molde se reutiliza muchas veces.
• Los procesos comprenden:– Fundición en molde permanente básico– Fundición en dados (Die casting) – Fundición centrífuga (Centrifugal casting)
Proceso en molde permanente básico
Emplea un molde de metal construido en dos secciones diseñadas para tener facilidad de apertura y cierre. • Los moldes usados para aleaciones de bajo punto de fusión
(Al, Mg, aleaciones de Cu) son comúnmente hechos de acero o hierro fundido
• Los moldes usados para fundiciones de acero deben hacerse en material refractario, debido a las altas temperaturas de colada (1250 ºC a 1500 ºC)
Figure 11.10 Etapas de la fundición en molde permanente
• Ventajas de la fundición en molde permanente:– Buen acabado superficial y control dimensional– La solidificación más rápida ocasionada por el molde metálico da como
resultado una estructura de grano fino, por lo que se obtienen fundiciones más fuertes
• Limitaciones:– Generalmente está limitado a metales de bajo punto de fusión. – Las formas de las piezas son más sencillas en comparación con las
fundiciones con arena porque se requiere abrir el molde y extraerlas. – Elevado costo del molde.
Ventajas y Limitaciones de la fundición en molde permanente
• Aplicaciones – Debido al elevado costo del molde, el proceso se justifica para un alto
volumen de producción pudiendo automatizarse en consecuencia. – Piezas típicas: pistones de automóvil, cuerpos de bombas, y algunas
piezas para aeronaves y misiles. – Metales comúnmente fundidos: aluminio, magnesio, aleaciones a base
de cobre, y hierro fundido.
Fundición escurrido o hueca(Slush casting)
Proceso para generar formas huecas al invertir el molde , después que el metal ha solidificado parcialmente en la superficie del molde, drenando así el metal líquido del centro.
En vez de utilizar la gravedad para introducir el flujo de metal en la cavidad del molde, el metal líquido se introduce dentro de la cavidad a una presión baja de 0,1 MPa (15 lb/in2).
La presión se aplica desde abajo, de manera que el metal fluye hacia arriba como se ilustra en la figura. Se mantiene la presión hasta completar la solidificación, compensando la contracción.
Se logran piezas de pared delgada.
Fundición a baja presión(Low Pressure Casting)
Crisol (Crucible)
Vacuum Permanent Mold Casting
• Al igual que la fundición a baja presión pueden lograrse piezas de paredes delgadas.
• La diferencia es que se usa la presión reducida del vacío en el molde para atraer el metal líquido a la cavidad, en lugar de forzarlo por una presión positiva de aire desde abajo.
• Los beneficios de la técnica al vacío, en relación con la fundición a baja presión, son que se reduce la porosidad del aire y los defectos relacionados, obteniendo una mayor resistencia de las piezas fundidas. Adicionalmente, no se requieren mazarotas.
Es un proceso de fundición en molde permanente en el cual se inyecta el metal fundido en la cavidad del molde a alta presión. • La presión se mantiene durante la solidificación; posteriormente, el molde se
abre para remover la pieza. • Los moldes en esta operación de fundición se llaman dados (dies), de aquí
el nombre de la fundición en dados.• El uso de alta presión para introducir el metal dentro de la cavidad del molde
es la característica más notable que distingue este proceso de otros en molde permanente.
• Las máquinas de fundición en dados están diseñadas para mantener un cierre preciso de las dos mitades del molde y mantenerlas cerradas , mientras el metal fundido permanece a presión dentro de la cavidad del molde
• Existen dos tipos de máquinas:
- De cámara caliente (Hot-chamber machine)
- De cámara fría (Cold‑chamber machine)
Fundición en dado (Die Casting)
El metal fundido y el sistema de inyección se encuentran dentro de un crisol, un pistón inyecta en el dado el metal a alta presión.
Presiones típicas de inyección: de 1000 a 5000 psi (7 a 35 MPa).• Altas velocidades de producción de hasta
500 partes por hora. • Las aplicaciones del proceso quedan
limitadas a metales de bajo punto de fusión que no ataquen químicamente al pistón y a otros componentes mecánicos.
• Metales fundidos: zinc, estaño, plomo, y magnesio.
Ciclo en la fundición en cámara caliente
Fundición en dados con cámara caliente (Hot-Chamber Die Casting)
Cast small zinc die cast products by hot chamber die casting
Fundición en dados de cámara fría
(Cold‑Chamber Die Casting)
El metal fundido procedente de un crisol externo es colado en una cámara fría , y un pistón inyecta el metal a alta presión en la cavidad del dado.
Presiones de inyección: 2000 a 20 000 psi (14 a 140 Mpa).• La velocidad de producción no es tan rápida como en las máquinas de cámara
caliente, por incorporar en el ciclo la colada externa en la cámara fría. • Metales fundidos: aluminio, latón y aleaciones de magnesio.• Las aleaciones de bajo punto de fusión (zinc, estaño, plomo) también pueden
fundirse, pero las ventajas del proceso en cámara caliente favorecen más su uso para estos metales.
Ciclo de la fundición en cámara fría
Moldes para la fundición en dados(Molds for Die Casting)
• Usualmente son de acero para herramientas, acero para moldes o acero al níquel con bajos contenidos de carbono (Usually made of tool steel, mold steel, or maraging steel).
• El tungsteno y molibdeno (con buenas cualidades refractarias) son utilizados en dados de acero fundido y hierro fundidos).
• Se requiere pines expulsores para remover la parte del dado cuando éste se abre.
• Es necesario rociar lubricante en las cavidades del dado para prevenir el pegado (sticking).
Part for Auto Part Mould · High pressure die casting
Ventajas y Limitaciones de la fundición en dados
• Ventajas de la fundición en dados:– Económicas para grandes volúmenes de producción.– Buenas tolerancias y acabado superficial. – Son posibles secciones delgadas t= 0.020 in – El enfriamiento rápido proporciona a la fundición granos de
tamaño pequeño y buena resistencia.• Desventajas:
– Generalmente limitadas a metales de bajo punto de fusión.– Partes de geometría sencilla para poder removerlas del dado.
Zinc die casting mouldZinc Die Casting Tooling
Comprende varios métodos de fundición caracterizados por utilizar un molde que gira a alta velocidad para que la fuerza centrífuga distribuya el metal fundido en las regiones exteriores de la cavidad del dado. • El grupo incluye:
– Fundición centrífuga propiamente dicha (True centrifugal casting)– Fundición semicentrífuga (Semicentrifugal casting)– Fundición centrifugada (Centrifuge casting)
Fundición Centrífuga(Centrifugal Casting)
El metal fundido es colado en un molde que está girando para producir una pieza tubular.
• La rotación del molde empieza en algunos casos después de la colada. • Piezas típicas: tuberias, tubos, manguitos (bushing) y anillos. • La forma externa de la fundición es la correspondiente a la cavidad del molde,
pudiendo ser (teóricamente) redonda, octogonal, hexagonal o cualquier otra.
Fundición semicentrífuga
Fundición centrífuga propiamente dicha
La fuerza centrífuga es usada para producir fundiciones sólidas en lugar de tubulares. • Los moldes se diseñan con mazarotas que alimentan de metal desde el centro
de rotación. • La densidad de la pieza final es mayor en la sección externa que en el centro
de rotación. • El proceso se utiliza para producir piezas en las que se elimina el centro por
maquinado, eliminando así la porción de menor calidad. • Ejemplos: ruedas y poleas.
El molde se diseña con cavidades localizadas fuera del eje de rotación, de manera que la fuerza centrífuga distribuya el metal líquido hacia las cavidades. • Aplicable a piezas pequeñas.• La simetría radial de la pieza no es un requisito como en los otros métodos de
fundición centrífuga.
Fundición centrifugada
FUNDICIÓN CENTRÍFUGA
Frecuencia rotacional : N (rps, s-1) (rpm, min-1)
Velocidad angular : = 2 N (rad/s) (rad/min)
Velocidad circunferencial :v = r = 2 r N = D N [1]
Aceleración centrífuga : ac = 2 r
Factor G : [2] rgv
gr
ga
G c22
80__602
agr
ga
mgma
WF
Gfactor ccc
Fundición centrifuga propiamente dicha, relaciones:
Para forzar el metal líquido contra las paredes del molde y evitar que caiga al interior en forma de “lluvia”, se debe alcanzar un factor G que se determina en forma experimental (usualmente de 60 a 80).
Para lograr un factor G dado se deberá imprimir al molde una frecuencia de rotación N que puede ser determinada reemplazando en la ecuación [2] la expresión para v dada por la ecuación [1] :
DGg
N2
1
Excentricidad : g/2
Fundición centrifuga propiamente dicha, relaciones:
a) De eje horizontal:Presión en el molde (máxima)
21
22
2
2.
rrp
b) De eje vertical:Relación (r,h) sobre el paraboloide
22
..2
rg
h
Colada continua
Process economics
Operaciones posteriores al desmoldeo
Desmoldeo Defectos de fundiciónDiseño de piezas fundidas
1 Remoción de conductos y mazarotas, limpieza basta. por golpe corte mecánico: sierras, amolado por soplete
2. Limpieza superficial, exterior e interior. en tambor chorro de arena perdigonado escobilla de alambre
3. Rebarbado, afinado, eliminación de protuberancias de conductos y mazarotas. con cincel amolado
4. Acabado, limpieza final de la superficie, dando a la pieza su apariencia de entrega. procesos diversos como: mecanizado, tratamiento químico, pulido, pintura.
5. Inspección visual dimensional metalúrgica.
Operaciones posteriores al Desmoldeo
• Existen muchas variables que originan dificultades en una operación de fundición y aparecen como defectos de calidad en el producto.
• Los defectos pueden clasificarse como:– Defectos generales comunes a todos los procesos de fundición.– Defectos propios de los procesos de fundición en arena.
Calidad de las fundiciones
Defectos de las piezas de fundición
Se les llama piezas defectuosas a aquellas que no pueden ser utilizadas por poseer defectos, originados durante el proceso de elaboración, y son destinadas a la chatarra.
Los defectos de fundición se encuentran normalizados, lo cual facilita su clasificación.
Principales defectos comunes a los procesos de fundición
(a) Llenado incompleto, (b) junta fría, (c) gotas frías, (d) rechupe, (e) microporosidad, (f) grietas , rajaduras en caliente
Referencia Groover M. (p. 238)
Principales defectos de la fundición en arena
(a) sopladuras, (b) agujeros de alfiler, (c) arrastre de arena (sand wash), (d) costra (scab), (e) penetración, (f) piezas excéntricas , (g) machos levantados, (h) grieta del molde
Referencia Groover M. (p. 239)
Otros defectos
Reglas para el diseño de piezas fundidas
1. Promover la solidificación direccional
2. Emplear secciones la más uniformes posibles
3. Evitar cambios bruscos de sección
4. Evitar empalmes y esquinas en ángulo agudo
5. Evitar secciones delgadas entre las mazarotas y las secciones gruesas
6. Redondear las esquinas
7. Evitar puntos calientes
8. Considerar el tipo de solicitación mecánica sobre el elemento:
- (placas tracción)
- (nervios compresión; espesor 80% del elemento).
9. Considerar los espesores mínimos de sección en función del metal a fundir y las condiciones de ejecución.
10. Evitar las superficies planas horizontales extensas.
CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DE PIEZAS FUNDIDAS
Consideraciones
• La fase de la fusión del metal en el horno es de gran importancia en las operaciones de fundición, incluye la fusión adecuada de los metales , la preparación de la aleación, la eliminación de la escoria e impurezas y el vaciado (colada) del metal fundido en los moldes.
• Es igualmente importante la inspección de las piezas fundidas en busca de defectos.
• Las piezas fundidas pueden ser sometidas posteriormente a procesos adicionales, tales como tratamiento térmico, operaciones de maquinado a fin de producir las formas deseadas y las características finales.
Seguridad en los talleres de fundición• La seguridad es de particular importancia en las operaciones de
fundición en razón de los siguientes factores:• el polvo de la arena y otros compuestos utilizados en el colado requiere
de una adecuada ventilación y equipo de seguridad para el personal.• Los humos de los metales fundidos, así como las salpicaduras del metal
fundido durante su manipulación y colada en los moldes.• La presencia de combustibles para los hornos, el control de presión y la
operación correcta de válvulas, etc.• La presencia de agua y la humedad en crisoles, moldes y otros sitios de
la planta, en presencia de calor rápidamente se transforma en vapor creando un severo peligro de explosión.
• El manejo inadecuado de fundentes, que son higroscópicos constituyen un peligro al absorber humedad.
• Inspección de crisoles, herramientas y otros equipos en busca de desgaste , grietas, etc.
• Inspección de equipo, como pirómetros en busca de su precisión y calibración adecuadas.
• La necesidad de un adecuado equipo de seguridad personal como guantes, delantales, petos y batas, protectores faciales y zapatos.
