introduccion a la fundicion
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Conocimientos básicos sobre la fundición.TRANSCRIPT
Unidad 2.1.- Introducción a la fundición
Fundición
Operaciones fundamentales
Moldes
Sistemas de alimentación y distribución
Procedimientos
Ingeniería de Fabricación - Curso 2014/2015
Fundición o moldeo
Procedimiento de fabricación basado en verter el material fundido en la cavidad de un molde, para obtener tras la
solidificación y enfriamiento una pieza que es reproducción
del hueco del molde (gravedad, centrífuga…).
Es uno de los procedimientos más antiguos de
conformación.
Permite obtener de una manera económica y fácil piezas
sencillas, o de formas complicadas y difíciles de obtener por
otros procedimientos.
Bancadas de máquinas herramientas, culatas de motores,
carburadores…
En ocasiones es posible generar la
forma definitiva, aunque suele requerir
operaciones adicionales (según
exigencias dimensionales y de
acabado)
Moldeo
Molde
- Contiene cavidad que determina forma de la pieza (negativo) - Sobredimensionado contracción
- En molde cerrado existe sistema paso
- Puede ser desechable (arena) o permanente (metal o refractario)
- En moldeo en arena, dos mitades (línea de separación)contenidas en caja
de moldeo
Sistema de paso
- Canales por los que fluye el metal
- Bebedero (vertido) con embudo
- Sistema alimentación conduce a
cavidad
-Mazarota proporciona
almacenamiento adicional para
compensar contracción en
solidificación (ha de solidificar tras
el fluido en cavidad) - Arena porosa / Permanentes
orificios para salida gases
Moldeo
Modelo y núcleo (macho)
-En moldes desechables cavidad se construyen con modelo (madera,
plástico…)
- Está sobredimensionado para compensar contracción en solidificación
- En arena, cavidad formada tras apisonar ésta alrededor del modelo (ambas
mitades) - Para cavidades interiores de pieza Macho. Resistentes, permeables
(arena). Se anclan en plantillas.
- Los machos se elaboran en plantillas mediante moldeo en cáscara, o
endurecimiento por CO2
Fundición. Operaciones
Fusión
Moldeo y desmoldeo
Preparación del molde Cierre de caja con machos
requeridos, y se agrega peso para compensar presión material fundido
Colada
Solidificación y enfriamiento
Desmoldeo y extracción de piezas En arena,
sacudida de molde y retiro de capas de óxido por vibración. Limpieza con chorro de arena o granalla
Acabado
Eliminar sistemas de alimentación y
distribución Corte de mazarotas y canales mediante corte
oxiacetilénico, cizallas… Tratamientos térmicos (acabado), Mecanizado
(exigencias dimensionales y acabado superficial)
Vídeo
Proceso de fundición de un acero moldeado
Tecnología de la fusión
Fusión: Operación previa a la colada para
fundir el metal o aleación
Condiciones masa líquida:
Composición química adecuada
Temperatura de colada adecuada
Buena fluidez o colabilidad
Refinado Proceso de purificación
Escorificación Reacción química destructiva con calor para eliminar
Desoxidación La desoxidación, p.ej. de aceros, mediante adiciones
de ferromanganeso, ferrosilicio y/o aluminio
Desgasificación Eliminación de H y O (puede ocasionar sopladuras -
inclusiones gaseosas en solidificación)
Inoculación Agentes nucleantes para facilitar solidificación (a + Tª)
𝐻 = ρ𝑉[𝐶𝑠 𝑇𝑚 − 𝑇𝑜 + 𝐻𝑓 + 𝐶𝑙(𝑇𝑝 − 𝑇𝑚)]
H=calor requerido para alcanzar Tª vertido, Tp
Cs=calor específico para metal sólido
Tm=Tª fusión metal
To=Tª ambiente
Hf=calor de fusión
Cl=calor específico para metal líquido
Calor requerido
Sobrecalentamiento
Fundición. Materiales
Aleaciones ferrosas Fundiciones
Aceros
Aleaciones a base de cobre Bronces
Latones
Aleaciones de aluminio
Aleaciones de magnesio
Aleaciones de zinc
Termoplásticos Polietileno
Polipropileno
Policarbonato
Poliestireno
Nylón
Termoestables Poliuretanos
Resinas fenólicas
Metales Plásticos
Tecnología de la fusión
Temperatura de colada: Debe ser superior a la de
solidificación (sobrecalentamiento).
Importante calcular el calor necesario para alcanzar la
temperatura de colada. Calor para elevar la temperatura a la de fusión.
Calor de fusión para pasar de sólido líquido.
Calor para alcanzar la temperatura de colada.
La temperatura de solidificación depende del tipo de metal o aleación. Afectada por agentes inoculantes
Metales puros: Temperatura de fusión. Tiempo total: vertido-fin
solidificación.
Aleaciones: Diagrama de equilibrio.
Tecnología de la fusión
La temperatura de solidificación depende del tipo de
metal o aleación. Afectada por agentes inoculantes
Metales puros: Temperatura de fusión.
Curva de enfriamiento
- Sobrecalentamiento: Tª vertido – Tª fusión
- Tiempo total: vertido-fin solidificación.
- Tiempo local: evacuación calor latente hacia
el molde que rodea al metal
Estructura
- Inicialmente se forma capa delgada alrededor
de pared molde (solidificación hacia el centro)
- Capa exterior enfriamiento rápido (104K/S)
granos finos
-Crecimiento dendrítico en dirección
transferencia granos grandes (proceso lento,
102K/s)
- A menor tamaño de grano, más resistencia y
ductilidad, y reducción de porosidad
Tecnología de la fusión
La temperatura de solidificación depende del tipo de metal o
aleación. Afectada por agentes inoculantes
Aleaciones: Diagrama de equilibrio.
Curva de enfriamiento
- Solidificación en rango TL-TS (Líquidus-Solidus)
- Acaba al alcanzar el solidus.
Estructura
- Inicialmente capa exterior + estructura
dendrítica
- Zona avance coexiste líquido y sólido (zona
blanda o pastosa)
- Tamaño=f(ΔTª L-S), si elevada granos
grandes
- Composición dendritas favorecen metal con
punto fusión más elevado. Al final, se produce
segregación.
- Microscópica, dentro de dendritas, como
segregación de lingote (solidificación franja
interior componente de menor Tª fusión)
Aleaciones eutécticas L-S misma Tª
Tecnología de la fusión
Fluidez o colabilidad: Capacidad del metal fundido para llenar el
molde.
Depende de factores como Viscosidad (inverso de la fluidez)
Tensión superficial (ha de ser pequeña, eliminar óxidos)
Inclusiones (insolubles, núcleos de solidificación)
Forma de solidificar
Diseño y material del molde (balance tiempo-fluidez)
Grado de sobrecalentamiento (aumenta viscosidad)
Velocidad de vertido (a menos velocidad, mayor velocidad de enfriamiento)
Transferencia de calor (Composición Calor fusión elevado, mejor fluidez)
Tª vertido (facilita, pero peligro oxidación)
Prueba de fluidez en molde en espiral, índice de fluidez se mide mediante
longitud de solidificación
Moldes
Elementos donde se realiza el vertido
del metal fundido
Tipos:
Moldes desechables
De arena (Baratos, buenas prestaciones en general)
De materiales refractarios (Yeso, cerámica mejor
acabado y exactitud dimensional)
Moldes permanentes: coquillas
Metálicos (Reutilizable, grandes series)
Molde desechable
Molde de arena Arena - Sílice (SO2) más minerales
- Propiedades refractarias (soportar
altas Tª)
- Pequeño tamaño de grano mejor
calidad superficial
- Tamaño grande mejor permeabilidad
- Composición: arena 90%, agua 3% y
arcilla 7%.
- Arcilla con aglutinante orgánico
(resinas fenólicas) o inorgánico (silicato
de sodio)
Moldeo - En caja (compactación manual, o mediante, máquinas de moldeo por presión neumática,
golpeteo o lanzamiento de arena)
- Sin caja de moldeo (caja moldeo maestra en sistema automático de producción)
Tipos molde - Arena verde (con arcilla, verde – humedad en el vertido; permeabilidad y reuso), Arena
seca (aglutinantes orgánicos en lugar de arcilla, cocidos en hornos; resistentes) y Superficie
seca (secando con soplete los de arena verde; evita defectos de humedad)
Molde permanente
Características - Reutilizables
- Acero o fundición, mecanizados
- Para fundición de Al, Mg, Aleaciones de Cu
- Núcleos de metal con sistema de extracción
- Requiere lubricación
- Abrir antes de que ocurra contracción apreciable (no colapsan como arena)
Ventajas y desventajas - Buen acabado y control dimensional
- Solidificación rápida estructura grano fina
- Piezas sencillas y metales bajo punto fusión. Caros
Sistemas de alimentación y distribución
Sistema de
alimentación
Cavidad de vertido
o cono de colada
Bebedero
Pozo Depósito de entrada
Filtro
Sistema de
distribución Canal de colada
Ataques o portadas Ensanche
antes de cavidad
Respiraderos Dejan escapar gases de
la cavidad
Mazarotas Suministran metal fundido,
cerradas o abiertas
Enfriadores Piezas metálicas que
facilitan solidificación en zonas del molde
adecuadas (lejos de mazarotas). Internos o
externos
Pantallas aislantes
Sistemas de alimentación y distribución
Ataques
Diseño
- Posición bebederos
- Nº y posición canales
- Nº y posición ataques
- Situación mazarotas
Sistemas de alimentación y distribución
Depósitos de vertido
Conos de colada
- Llenado tranquilo (gases, turbulencia, oxidación)
- Facilitar atrapado de impurezas
- Controlar velocidades para evitar erosión
- Dimensiones suficientes sin tamaño excesivo
- Promover gradientes Tª para solidificación
Características
Sistemas de alimentación y distribución
Conducto que lleva la masa
líquida (caldo) desde la
cuchara hasta el canal de
colada
Condiciones
Dar lugar al llenado correcto
del molde
Facilitar que la colada se haga
a bebedero lleno
Evitar erosiones y choques
Diseño de bebederos
Bebedero
- Bernouilli
- Continuidad
ℎ1 +𝑝1
ρ𝑔+
𝑣12
2𝑔= ℎ2 +
𝑝2
ρ𝑔+
𝑣22
2𝑔+ f
𝑄 = 𝐴1𝑣1 = 𝐴2𝑣2
Simplificación de flujo ideal
𝐴1/𝐴2 =ℎ2
ℎ1
Sección recta
= gases (aspiración)
Estrangulación
ℎ1
ℎ2
Sistemas de alimentación y distribución
Canal de colada: conduce
la masa líquida desde el pie
del bebedero hasta el ataque
Resistir la erosión del flujo
Alimentar uniformemente los
ataques
Ataque: Introduce la masa
líquida en el molde
Asegurar un llenado regular y
completo del molde
Evitar erosiones o
desplazamiento de machos
Facilidad para ser eliminados
Conductos de la colada
Dimensiones de los conductos
Factores Volumen del hueco del
molde
Tiempo de llenado
Tipo de colada
Índice de reducción o
relación de colada
Sistema a presión: Sb > Sc > Sa
Sistema sin presión: Sb < Sc < Sa
Sb – Sección transversal bebedero
Sc – Suma secciones canales
Sa – Suma secciones de los ataques
b
a
b
c
S
S
S
S::1
𝑇 = 𝑉
𝑄
Sistema divergente
sin presión:
Índice de colada
1:3:3
Sistema convergente
o a presión:
Índice de colada
1:0,75:0,5
P compensa pérdida de carga
Aumento sección
para reducir pérdida de carga
Mazarotas
Depósitos de metal líquido destinados a alimentar el
molde y compensar los efectos de contracción para
evitar que se formen rechupes en el interior de la
pieza
Deben solidificar en último lugar Diseño Regla de Chorinov
Empleo de manguitos o pantallas aislantes
Adición de agentes exotérmicos
Empleo de enfriadores externos o internos
Posición y dimensiones correctas
Importante para dirigir el flujo (solidificación
dirigida) Pasaje entre mazarota y cavidad corto, para evitar solidifcación
intermedia
Facilidad para ser eliminadas
Mazarotas y enfriadores
Enfriadores
• (a) Internos Del mismo material que la
fundición (problemas con su fusión se suelen evitar)
• (b) Externos Inserciones de metal en las
paredes de la cavidad del molde
• (c) Colocar en zona voluminosa
Contracción
De un 0.5 %. Ocasiona:
a) Reducción altura del fundido
b) Restringe cantidad líquido para
porción superior central (última región que solidifica) crea
vacío: Rechupe Mazarotas
Mazarotas y enfriadores
Uso de enfriadores y mazarotas
- La disposición de la mazarota puede realizarse en forma de depósito
abierto (lateral o superior) o cerrado
- La mazarota abierta (figura) posee la desventaja de evacuar calor
fácilmente y favorecer la solidificación rápida
Mazarotas y enfriadores
Empleo de un enfriador
externo para acelerar la
solidificación
Solidificación dirigida
Uso de enfriadores y mazarotas
Estudio de la colada
Cucharas de colada
Tipos de colada
Temperatura de vertido
Flujo del fluido
Turbulencia – Nº Reynolds
Fluidez
Cantidad de metal
Colada
Colada: Vertido de la masa líquida sobre el molde.
Se realiza mediante cucharas, recipientes de acero
recubiertos de material refractario. Cuchara simple o de pico de labio
Cuchara de tetera o sifón.
Cuchara de colada por el fondo.
Colada
Tipos de colada
Colada directa
Colada por el fondo
en fuente o sifón
Colada por
el costado
Colada por línea
de separación
Colada con
giro del molde
Estudio de la colada
Flujo del fluido
Velocidad de vertido – Teorema de Bernouilli
Velocidad de flujo en base del bebedero: 𝒗 = 𝟐 𝒈 𝒉
Ley de continuidad: 𝑸 = 𝒗𝟏𝑨𝟏 = 𝒗𝟐𝑨𝟐 Q – Caudal o gasto volumétrico
v – velocidad A - Sección
Tiempo de llenado: 𝑻 = 𝑽
𝑸
V – volumen de la cavidad del molde
Debe ser el suficiente para que el molde esté lleno antes de empezar la
solidificación
Y el suficiente para que el calor radiante no origine desperfectos
superficiales debidos a la dilatación de la arena
Fórmula se obtiene haciendo en Bernouilli v1=0, p1=p2 y h=h1-h2
Estudio de la colada
Turbulencia – Nº Reynolds:
𝑹𝒆 = 𝝆 𝒗 𝑫
𝝁
ρ–densidad; v–velocidad; D–diámetro; -viscosidad
dinámica
Régimen turbulento Re= 2000 a 20000
Aunque es difícil de evitar se debe reducir para disminuir el
atrapamiento de gases y arena
Metal necesario para la colada
Masa total: Mt = Mp + Md + Ms
Mp – Masa de la pieza
Md – Masa del sistema de distribución
Ms – Masa de seguridad
Rendimiento de la fundición:
t
p
M
M
Solidificación y enfriamiento
Tiempo de solidificación. Tamaño y forma de la pieza.
Molde, aleación y temperatura.
Regla de Chorinov:
2
S
VKt
K- Coeficiente que depende de: la forma de la pieza, densidad del metal, el molde, características térmicas de ambos, grado de sobrecalentamiento, la forma de la colada y la naturaleza de la aleación
V- Volumen de la pieza S- Superficie exterior de la pieza
Solidificación y enfriamiento
Ejemplo: Diseño de mazarota cilíndrica Fundido: placa de dimensiones 7.5cm x 12.5cm x 2cm
T=1.6 min (observaciones previas)
Mazarota con relación de aspecto D/h=1
¿Dimensiones de la mazarota para T=2 min?
cmHcmDcmD
DD
T
7.47.4086.22
09056.06
26.32
22
2
2
2
3
5.267)2*5.122*5.75.12*5.7(2
5.1872*5.12*5.7
cmA
cmV
Volumen y área de la mazarota
4
2
;4
2
2
DDhA
hDV
D/h=1
V/A=D/6
22
2
min/26.3)5.267/5.187/(6.1/ cmS
VtK
Solidificación y enfriamiento
Contracciones. Contracción líquida.
Está en función de la variación del volumen
específico con la temperatura.
Contracción de solidificación. Debida a la variación del volumen específico
asociada al cambio de fase.
Puede crear rechupes en la pieza.
Importante el diseño de mazarotas.
Contracción sólida. Depende del coeficiente de dilatación en
estado sólido.
Se corrigen utilizando las reglas de fundidor.
Solidificación y enfriamiento
Simulación de llenado de molde y solidificación de
un pistón Figura (a).- 3.7 segundos después del inicio del vertido.
Figura (b).- 5 segundos después del vertido y utilizando
respiraderos en el molde para retirar el aire atrapado.
Operaciones de acabado
Desmoldeo Máquinas vibradoras Máquinas de extracción por sacudidas
Operaciones de limpieza Desarenado
Cepillos metálicos
Tambores rotativos
Por proyección De agua a presión
De agua con abrasivo
De granalla
Desbarbado Cincelado
Aserrado
Amolado
Corte por soplete
Procedimientos de fundición
Colada por gravedad
Moldeo en arena
Moldeo en cáscara
Moldeo en yeso
Moldeo en molde cerámico
Moldeo a la cera perdida
Procedimiento MERCAST
Procedimiento LOST FOAM
Moldeo en coquillas
Colada a presión
Fundición centrifugada
Fundición a presión
Molde desechable
Modelo permanente Moldeo en arena
Moldeo en cáscara
Moldeo en molde cerámico
Moldeo en yeso
Modelo desechable Moldeo a la cera perdida
Procedimiento MERCAST
Procedimiento LOST FOAM
Molde permanente (sin modelo)
Moldeo en coquilla
Fundición centrifugada
Fundición a presión