algunas consideraciones metalúrgicas en la fabricación … · se tienen que dar las tres...

Algunas consideraciones

metalúrgicas en la fabricación de troqueles con

Fundición de Hierro

FOUNDRY DAY (20/04/2017)

TECNALIA Research & Innovation FOUNDRY DAY


El proceso de fundición Dicho en términos muy generales, la fabricación de una pieza de fundición consiste en la creación, en un medio lo suficientemente resistente, de una cavidad que reproduzca la figura de la pieza a conseguir, cavidad que va a llenarse con el metal o aleación líquida y en la que va a permanecer hasta su solidificación y posterior enfriamiento en estado sólido, cuando ya sea apta para su extracción.

GENERALIDADES


Funciones principales del molde (I) • Permitir el llenado correcto y homogéneo de la aleación evitando que se fugue y,

sin embargo, dejando pasar los gases que se generen.

• No debe permitir que entren elementos extraños.

• Debe evitar que las impurezas generadas en su interior queden confinadas o expulsadas de la pieza, garantizando la sanidad final de ésta.

• Permanecer inalterable durante la solidificación.

GENERALIDADES


Funciones principales del molde (II) • Disponer del depósito remanente de metal líquido que compense las

contracciones, expansiones, etc, que se producen en estado líquido.

• Compensar geométricamente las inevitables contracciones que se producen en estado sólido.

• Permitir que la extracción de la pieza sea lo más sencilla posible.

• Minimizar las tareas de acabado y acercarse al near-net-shape.

¡¡¡Y todo ello con bajos costos!!!

GENERALIDADES


Modelo perdido (poliestireno)

Se usa en moldeo manual, de liga química, con resina furánica autofraguante. Está indicado para piezas únicas y de gran tamaño, como los troqueles y matrices o algunas grandes piezas de máquina-herramienta (si son series habitualmente se hacen con modelo tradicional o permanente).

GENERALIDADES


http://www.google.es/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http://www.seforge.com/newsite/?page_id%3D298&ei=BAR3VcbiEK-O7AaWi4DABw&psig=AFQjCNGiR8-7e0w4LIpIiax5l7eVcLYwWw&ust=1433949160978912


La pieza la consiguen:

• un correcto molde • un correcto metal • un proceso bajo control

Se tienen que dar las tres premisas.

La calidad metalúrgica:

• comienza en las cargas • sigue en el proceso de fusión y mantenimiento • continúa en el tratamiento del metal • finaliza en el proceso de enfriamiento y solidificación

GENERALIDADES - LA ELECCIÓN DEL MATERIAL


De cara al diseño de una pieza fundida las condiciones básicas de partida a tener en cuenta serían: • La función de la pieza, para elegir el material más adecuado, combinada con una

buena maquinabilidad. Lo más habitual.

• Una geometría bien diseñada en cuanto a su ‘fundibilidad’ para conseguir precios razonables (mazarotas, machos…). Lo menos habitual.

• El método de fabricación, tipo de molde, proceso de moldeo (horizontal o vertical, químico o verde), el tamaño de las piezas, etc.

GENERALIDADES - LA ELECCIÓN DEL MATERIAL


Diagrama de equilibrio Fe-C Aceros Fundiciones En línea continua el diagrama estable y en

discontinua el diagrama metaestable. El diagrama estable desplaza las líneas hacia arriba y hacia la izquierda. La diferencia entre uno y otro es que en el diagrama estable los constituyentes son Fe y grafito porque las aleaciones son de moderado a alto silicio y las transformaciones se producen a velocidad lo suficientemente moderada. En el metaestable serían Fe y cementita. El grafito aparece por la inestabilidad del carburo de hierro en las citadas condiciones, entre ellas el alto silicio y un enfriamiento enfriamiento lento, lo que se da en la fundiciones por sus características y el molde de arena.

METALURGIA DE LA FUNDICIÓN DE HIERRO


Microestructuras de las fundiciones grises

Laminar Nodular (esferoidal)




Sensibilidad al espesor


Flotación en fundición nodular

DEFECTOS ASOCIADOS AL ESPESOR


Microrrechupes en fundición nodular

DEFECTOS ASOCIADOS AL ESPESOR


La contracción de los metales al solidificar Todos los materiales metálicos al pasar a estado sólido contraen. La cuestión es conocer cuánto y por qué las diferencias si esto se da. La consecuencia de su descontrol es el rechupe.

Siempre hay una cantidad de contracción, salvo en casos especiales donde ésta se ve compensada por la expansión grafítica. Ahí tenemos la primera clave para su minimización, cuanto más grafito se genere y más repartido esté, menor es la densidad final del metal y por tanto, la contracción.

Por otro lado, la mayor o menor cantidad de carburos (material de alta densidad, menos volumen) también contribuye. La perlita, si es requerida no es cuestionable, pero si no lo es, en menor medida pero por le mero hecho de estar constituida en parte por carburo de hierro (cementita), también contribuiría.

Todos estos fenómenos se controlan por medio de una buena calidad metalúrgica.

LA CONTRACCIÓN. ORIGEN Y DEFECTOS


Definiciones de los cambios volumétricos Contracción primaria: la primera contracción que se produce desde la temperatura del final de la colada hasta la temperatura de liquidus, cuando toda la pieza está aún líquida. Se puede dar en todos los metales y aleaciones. Expansión: se da cuando empieza a precipitar al estado sólido el grafito. Se da solo en los hierros grises. Contracción secundaria: es la que se produce en las bolsas aisladas por haber material ya solidificado a su alrededor. Se puede dar en todos los metales y aleaciones y es el llamado rechupe secundario.

MODELOS DE CONTRACCIÓN - EXPANSIÓN


Modelo típico de cambio de volumen (acero)



CE = 4,37 (ligeramente hipoeutéctica) CE = 4,43 (ligeramente hipereutéctica)

Modelos típicos de cambio de volumen:

Contracción-expansión: exclusivo del hierro fundido (de 6,9-7,0 líquido a 7,2-7,3 sólido)




Contracción-expansión: exclusivo del hierro fundido

Hay casos en los que es posible compensar la contracción líquida con la expansión grafítica. Las condiciones para ello son las siguientes:

• Módulos térmicos superiores a 2,5 cm • Fuerte rigidez del molde (moldeo químico de alta calidad) • Hierro de grafito esferoidal cercano al eutéctico • Buena calidad metalúrgica • Solidificación bien direccionada




Contracción-expansión: exclusivo del hierro fundido

Hay casos en los que es posible compensar la contracción líquida con la expansión grafítica. Las condiciones para ello son las siguientes:

• Módulos térmicos superiores a 2,5 cm • Fuerte rigidez del molde (moldeo químico de alta calidad) • Hierro de grafito esferoidal cercano al eutéctico • Buena calidad metalúrgica • Solidificación bien direccionada

En estos casos es posible prescindir de las mazarotas.



RESUMEN

Compensación de la contracción líquida. Con los sistemas de alimentación (mazarotas). Es el paso de la densidad en estado líquido a la inicial del estado sólido y solo se puede compensar, salvo en el caso del hierro (y no siempre), con depósitos disponibles de metal líquido, correctamente situados que suministren metal para ‘rellenar’ el hueco generado por dicha contracción. Son las mazarotas o manguitos (risers, sleeves, manchons, steigers, etc).

Compensación de la contracción sólida. El metro del modelista. Es el paso de la densidad inicial del estado sólido a la final en dicho estado, la que se produce en cualquier material sólido por efecto de la temperatura, siempre en el rango en el que dicho material no cambie al estado de líquido. En este caso no hay compensación posible más que haciendo un molde más grande de manera que cuando contraiga la pieza en tu totalidad quede en las dimensiones nominales. Se usaban antes metros especiales, de ahí el nombre.



RESUMEN

Compensación de la contracción líquida. Con los sistemas de alimentación (mazarotas). Es el paso de la densidad en estado líquido a la inicial del estado sólido y solo se puede compensar, salvo en el caso del hierro (y no siempre), con depósitos disponibles de metal líquido, correctamente situados que suministren metal para ‘rellenar’ el hueco generado por dicha contracción. Son las mazarotas o manguitos (risers, sleeves, manchons, steigers, etc).



MODELOS DE CONTRACCIÓN - EXPANSIÓN Ejemplos con simulaciones


Causas físicas o geométricas (calculables)

La formación de rechupes se produce en todos los materiales de fundición, independientemente del molde y del proceso de fundición. La causa es algo tan sencillo como la diferencia existente entre la densidad en estado líquido del metal y la que tiene en estado sólido. Causas metalúrgicas (difíciles de calcular pero controlables)

•Sobrecalentamiento excesivo del metal •Tiempos excesivos de mantenimiento del hierro en el horno •Proporción alta de retornos en la carga •Elementos promotores •Carbono equivalente fuera de control (rechupes ‘inexplicables’) •Tratamiento inadecuado del metal líquido

DEFECTOS DE CONTRACCIÓN O RECHUPES


Tipos En función de cómo se manifiesten los rechupes por solidificación del metal, se distinguen varios tipos de rechupes:

• Cerrados (internos), se suelen producir en las zonas de la pieza fundida que solidifican tarde, como las zonas de pared gruesa o cerca del bebedero y de las entradas, siempre que estén rodeadas de zonas más delgadas (producción de bolsas de caldo aisladas).

• Abiertos (externos), se producen en zonas ‘techo’ de las piezas y, a menudo, en las zonas de transición entre grandes cambios de espesor de pared.

• Depresiones superficiales (externos también), aparentan hundimientos y se suelen producir en paredes laterales, más o menos verticales y relativamente gruesas. Suelen ir asociadas a zonas próximas de microporosidad.



Tipos

Abierto Cerrado

Transición o punto caliente



Se pueden definir como puntos críticos aquellos derivados de: • Solidificación no correctamente direccionada. Se dice cuando hay partes de una pieza

que se encuentran aisladas por estar rodeadas por otras partes que solidifican antes (módulos térmicos que no siguen la secuencia adecuada)

• Módulos térmicos altos intercalados. Partes aparentemente correctas que están afectadas por puntos calientes (poco evidentes)

• Zonas afectadas por radiación de otras partes del molde. Poco probables en fundición convencional

• Fallos de diseño. Ángulos de desmoldeo, etc., a veces inevitables



Se define como módulo térmico un valor numérico expresado en cm que es función directa de la raíz cuadrada del tiempo de enfriamiento de la pieza o parte de pieza para la que se calcula y es propio de cada material. Su expresión más sencilla es: ; donde M es el valor del módulo, k es una constante para cada material y t es el tiempo de enfriamiento, aquel para el que, una vez alcanzado, el metal ha terminado de solidificar.

Transformando la expresión anterior con el cálculo del calor a extraer del sistema se llega a que dicho módulo también es una función geométrica que también puede expresarse como: donde V es el volumen que se enfría y S la/s superficie/s por donde lo hace.

Como se puede ver es un parámetro muy intuitivo de cara a plantear la estrategia de alimentación necesaria en una pieza dada.

𝑀 = 𝑘 ∙ 𝑡

𝑀 =𝑉𝑆

EL CONCEPTO DEL MÓDULO TÉRMICO


Módulos térmicos de las figuras elementales



Coeficientes de forma de módulos de cruces y rincones

ω = 1,15 ω = 1,25 ω = 1,33 ω = 1,42

ω = 1,27 ω = 1,35 ω = 1,5 ω = 1,8



Correcciones del módulo térmico por diseño. Técnicas de mejora de la alimentación


http://www.google.es/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRxqFQoTCKvfmtiIisYCFUs_FAodcQcApg&url=http://issuu.com/eliasgeara/docs/defecto_de_fundicion___rechupe_.doc&ei=pMR6Vav9HMv-UPGOgLAK&psig=AFQjCNHGS6aw0XZTr5kFW5cGraO0dJTEpA&ust=1434195490703936


Correcciones del módulo térmico por diseño. Direccionamiento de la solidificación




Correcciones del módulo térmico por diseño. Padding


Correcciones del módulo térmico por diseño. Padding


Técnica intuitiva que también sirve para detectar gráficamente, en primera instancia, rechupes y si es posible resolverlos de manera sencilla


Mazarotas

La mazarota es una reserva de líquido que llega a la pieza con el fin de:

• Compensar el aumento de volumen de la cavidad del molde (si llegara a ocurrir de forma repetitiva)

• Compensar la contracción volumétrica del metal líquido en la pieza, desde la temperatura a la que se ha completado la colada hasta el comienzo de la solidificación (si llega a ocurrir)

• Compensar la contracción durante la solidificación (si llega a ocurrir)

La advertencia si llega a ocurrir aparece en las tres funciones de la mazarota. Es porque no siempre suceden los cambios volumétricos descritos, pero como prevención la mazarota debe mantenerse líquida para cuando sea necesario, normalmente más tiempo que la pieza (mayor módulo térmico), y contener la cantidad de metal suficiente. Además, puede tener un radio de acción o distancia a la que puede alimentar, la cual nos indicará el nº de mazarotas a utilizar.



DEFORMACIÓN EN EL MOLDE Y ESTADOS TENSIONALES

[email protected]

Unidad de Fundición y Siderurgia División de Industria y Transporte

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