FUNDICIN DE METALESFundicin de metales, caractersticas del proceso, etapas y operaciones. Fusin y procedimientos de colada. Solidificacin y alimentacin de fundiciones. Diseo de mazarotasING. ROLANDO PORTUGALSEGUNDA UNIDADPROCESOS DE MANUFACTURA

OBJETIVOS DE LA UNIDADIdentificar los fenmenos de fusin y solidificacin de metales y su relacin con las propiedades del componenteIdentificar las etapas de obtencin de un producto por fundicin.Calcular el tiempo de llenado del molde y el empuje metalosttico ejercido.Calcular los requerimientos de alimentacin de una pieza fundida.Identificar los principales procesos de fundicin en moldes desechables y en moldes permanentes.Analizar los principales defectos de una pieza fundida, sus causas y las medidas preventivas

LECTURAS ASIGNADASGroover M.: Fundamentos de manufactura moderna, 3 edicin, 2007

Groover, secc. 4.1: Propiedades volumtricas y de fusin (p. 68)Groover, secc. 4.2: Propiedades trmicas (p. 70)Groover secc. 6.2.2: Produccin del hierro y el acero (p. 98)

Groover, cap. 10: Fundamentos de la fundicin de metales (pp. 194 a 213)Groover, cap. 11: Procesos de fundicin de metales (pp. 214 a 246)

FUNDAMENTOS DE LA PRODUCCIN POR FUNDICINPROCESOS DE MANUFACTURASEGUNDA UNIDAD

LECTURAS ASIGNADASGroover M.: Fundamentos de manufactura moderna, 3 edicin, 2007

Groover, secc. 4.1: Propiedades volumtricas y de fusin (p. 68)Groover, secc. 4.2: Propiedades trmicas (p. 70)Groover secc. 6.2.2: Produccin del hierro y el acero (p. 98)

Groover, cap. 10: Fundamentos de la fundicin de metales (pp. 194 a 213)

La fundicin 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 seran difciles o no econmicos de procesar utilizando otros mtodos.La fundicin es competitiva en comparacin con otros procesos.Ventajas del proceso de fundicin

Desventajas del proceso de fundicinDesventajas asociadas a la fundicin y sus diferentes mtodosLimitaciones en las propiedades mecnicas y presencia de porosidad en las piezas.Baja precisin dimensional y deficiente acabado superficial de algunos procesos, como la fundicin en arena.Riesgos en la seguridad de los trabajadores debido a la elevada temperatura de fusin de algunos metales.Problemas de contaminacin ambiental en la mayora de los procesos.

Tipos de Fundicin:(1) Molde desechable, (2) Molde permanenteClasificacin:(1) Fundicin de lingotes, (2) fundicin de formasRef. Groover, Fig.11.10Molde de arenaMolde metlico (acero o hierro fundido)10.1 PANORAMA DE LA TECNOLOGA DE LA FUNDICIN

Etapas del proceso de fundicin:Etapas del proceso de fundicin en arena(Fuente: Groover Fig.11.2)Molde sin caja (flaskless molding)

Modelos para la elaboracin de moldesEl modelo (o plantilla) de fundicin es un dispositivo cuya funcin es imprimir en un molde la forma de la pieza que se quiere obtener.

Placa modeloModelo de maderaCajas de corazones o machos

10.1.2 Moldes para fundicin en arenaConsta de las operaciones siguientes:Preparacin del puesto de trabajo, las herramientas y los materiales.Llenado de las cajas y compactacin de la arena.Extraccin del modelo del molde.Operaciones de acabado y limpieza de la cavidad del molde.Montaje de los machos y control de calidad del molde.Ensamble del molde y preparacin para el vertido.

Proceso de fundicin en molde de arena

HORNOS DE FUNDICINLa fusin del metal para fabricar las piezas fundidas, se realiza en hornos de fundicin. Estos pueden tener distinta forma y, en general, operan bajo principios diferentes. As se puede establecer una clasificacin de los usados en la fundicin, considerando los factores siguientes:a) Tipo de revestimiento:BsicoscidosCualquier tipo de hornob) Fuente de energa:Combustible Elctricos Slido: h. crisolLquido: h. llamaGas: h. cubiloteArco elctricoInduccin Resistencia 10.2 CALENTAMIENTO Y VERTIDO

HORNOS DE FUNDICIN

Ref. Alting: Procesos para Ingeniera de manufactura. Alfaomega, 1990, Tabla 10.2 Clasificacin de algunos de los hornos industriales de fusin ms usados, p. 285

Tipo de energaHorno Aplicacin Qumica Combustible slido

Combustible granular (cisco)

Combustible lquido

Combustible gaseoso (gas)

Elctrica Arco

Induccin

Resistencia Cubilote

Horno de hogar abierto (Siemens Martin)

Horno rotatorio

Horno de crisol (de gas o petrleo)

Horno de arcoDirectoIndirecto

Horno de induccinDe alta frecuenciaDe baja frecuencia

Horno de resistenciaHierro 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.

10.2.1 CALENTAMIENTO DEL METAL (p. 199)Hc : Calor de calentamiento para elevar la temperatura del metal slido T0, hasta la temperatura de fusin Tm hf : Calor de fusin o calor latente para convertir el metal slido en lquidoHs : Calor de sobrecalentamiento para elevar la temperatura del metal lquido hasta la temperatura de colada TpH = calor requerido para llevar el metal hasta la temperatura de colada: Hc + Hf + Hs(10.1) donde Cs y Cl es el calor especfico del metal (Btu/lbm.F; J/g. C)

Calor requerido por el metal: HLa energa calorfica requerida para calentar el material en el horno corresponde a la suma de:

La expresin (10.1) presenta varias limitaciones debidas principalmente a las siguientes condiciones:El calor especfico y otras propiedades trmicas del metal slido varan con la temperatura, especialmente cuando el metal experimenta variaciones alotrpicas con la temperatura y, en muchos casos, no se dispone de los valores requeridos para una aleacin particular. En fundicin se emplean comnmente aleaciones, cuyo intervalo de fusin hace difcil determinar el calor de fusin.La carga de los hornos incluye adicionalmente otros componentes como fundentes o compuestos de refinacin.Durante el proceso hay considerables prdidas de calor que suelen ser tenidas en cuenta a travs del rendimiento trmico del horno, concepto empleado frecuentemente en los hornos elctricos.Donde:H = calor terico requeridoHhorno = calor entregado por el hornoRendimiento trmico del horno:

CALENTAMIENTO DEL METALCalor por unidad de unidad de masa, Btu/lbAplicable solo para metales puros y aleaciones eutcticas: h = hc + hf + hs (Btu/lb)

Pouring 10.2.2 Vertido del metal fundido (p.200) (Pouring)

Teorema de BernoulliEl teorema de Bernoulli toma en cuenta el principio de la conservacin de la energa y relaciona la energa de presin, la energa de velocidad y la energa de posicin del fluido en cualquier lugar del sistema, asimismo las prdidas por friccin en el sistema cuando est lleno de lquido, segn la ecuacin siguiente:10.2.3 Anlisis de ingeniera (p. 200)(10.2)Donde; = g = peso especficohf = prdidas entre los puntos 1 y 2(Nota: la forma en que aparece en el texto de Groover difiere en la forma de expresar las prdidas)

De esta ecuacin podemos encontrar (aproximadamente) la velocidad del metal lquido en la base del bebedero (sin friccin): Dadas las siguientes condiciones:Si se desprecian las prdidas: hf = 0 ; (la friccin en el ducto es cero, lo cual no es cierto)Si el sistema permanece a presin atmosfrica p1 = p2Si el punto 2 se toma como referencia h2 = 0La velocidad en el punto 1 despreciable v1 = 0La ecuacin (10.2) se simplifica a:(10.4)h1h2 = 0v1 = 0

Si se consideran las prdidas entre los puntos 1 y 2 : hf = hprdidas Si el sistema permanece a presin atmosfrica: p1 = p2Si el punto 2 se toma como referencia: h2 = 0La velocidad en el punto 1 muy pequea v1 0La ecuacin (10.2) se simplifica a:Obtenindose la velocidad del metal lquido en la base del bebedero (con friccin):

Figura 1. Lneas de corriente en la descarga de un chorro desde un depsito por un orificio. Do = dimetro del orificio, Dvc = dimetro de la vena contractaFlujo por un orificio en la pared de un tanqueConcepto de coeficiente de descarga CDEl caudal real viene dado por:CD = coeficiente de descargaCc = coeficiente de contraccin Cv = coeficiente de velocidadLa expresin (8) es vlida nicamente para colada superior(8)

Ley de Continuidad (p. 201)La Ley de continuidad de masa establece que para lquidos no compresibles y en un sistema con paredes impermeables, la velocidad de flujo (Q = caudal) es constante.(10.5)

Procedimientos de vaciado del molde Llenado por arriba o directoLlenado por la base o fondoLlenado lateralFactores que afectan el llenado del molde:Temperatura de coladaVelocidad de la coladaTurbulencia : (1) acelera la formacin de xidos, (2) erosin del molde(a)(b)

Clculo del Tiempo de llenado del molde a) Llenado por arriba: b) Llenado por el fondo:c) Llenado lateral: expresiones (a) y (b)(10.6)(c)

PROBLEMA Se debe colar un paraleleppedo rectangular de 500 mm por 250 mm de base y 160 mm de altura, empleando un ataque de seccin rectangular de 40 mm de ancho por 20 mm de espesor, conectado a un bebedero cuya altura total por encima de este ataque es de 160 mm. Determinar el tiempo de llenado del paraleleppedo despreciando el volumen del sistema de conductos y asumiendo que no existen prdidas:a) Para la condicin de ataque superiorb) Para la condicin de ataque por el fondo.

SISTEMA DE CONDUCTOS DE COLADA, TPICO(Pouring System)

Casting gating system

Objetivos del sistemaDirigir el metal dentro del molde con un llenado completo y rpidoReducir o prevenir la agitacin o turbulencia.Prevenir la aspiracin de aire o gases en el flujo de metal.Prevenir la presencia de impurezas, inclusiones, escorias, etc., separando o reflotando materiales extraos.Distribuir el metal fundido con los menores obstculos a fin de reducir la erosin del material del molde y machos y las consecuentes inclusiones de arena.Lograr adecuadas gradientes trmicas para la correcta solidificacin direccional y minimizar la distorsin.Obtener formas con el mnimo costo de corte y amolado.Proveer facilidad de colada con equipo convencional.

RELACIN DE COLADA

Sb : Sc : Sa

Donde Sb es el rea de la seccin transversal de la base del bebedero, Sc es la seccin total del canal y Sa la seccin total de los ataques.

Para un sistema con un bebedero de 9 cm2, un canal de 6 cm2 y dos ataques de 1,5 cm2 cada uno. Determine la relacin de colada de la fundicin.SbScSaFormas tpicas

SISTEMAS A PRESIN YSISTEMAS SIN PRESIN

Los sistemas a presin permiten mantener el sistema de conductos siempre lleno de metal, y cuando se emplean varios ataques de la misma seccin el flujo es aproximadamente el mismo en todos ellos. Estas caractersticas hacen que, para un valor de flujo dado, este sistema de conductos sea de un volumen menor, mejorando el rendimiento de la fundicin. Los inconvenientes de los sistemas a presin se originan en las relativamente altas velocidades que pueden establecerse, las cuales producen fuerte turbulencia, borboteo del metal y erosin de las paredes del molde.

Los sistemas sin presin establecen velocidades ms bajas que los sistemas a presin, reduciendo as la turbulencia y el borboteo del metal al ingresar a la cavidad del molde, pero con ataques de igual seccin se establece un flujo desigual a travs de ellos. La energa cintica tiende a llevar el metal hasta los ataques ms alejados y se hace necesario ir reduciendo la seccin del canal despus de cada ataque. Estos sistemas requieren mayores secciones de bebederos y ataques y por consiguiente son usualmente de mayor volumen que los sistemas a presin para un mismo caudal, lo que tiende a disminuir el rendimiento de la fundicin.

10.2.4 Fluidez (p. 202)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.Composicin del metal (metal puro vs aleacin slida).Viscosidad del metal lquido.Calor transferido a los alrededores.Ensayo de fluidezSe 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 lquido, la distancia recorrida por el metal sobre el canal espiral hasta antes de la solidificacin determina la fluidez del metal (ndice de fluidez).

10.3 Solidificacin y enfriamiento (p. 203)Solidificacin de los metalesTiempo de solidificacinContraccinSolidificacin direccionalTemas a tratar:

10.3.1 SOLIDIFICACIN DE LOS METALES (p.203)Cuando se vaca una fundicin en un molde fro, el metal en contacto con ste se solidifica en forma de granos finos prcticamente equiaxiales (de dimensiones casi iguales en todas las direcciones), ya que las velocidades de enfriamiento son elevadas. El calor latente de fusin, liberado durante la solidificacin, disminuye la velocidad de solidificacin, y el curso de la solidificacin posterior depende del tipo de aleacin que se cuele.

SOLIDIFICACIN DE LOS METALES(Zona blanda)Referencia Schey J., p. 190Modelos de solidificacin correspondiente a metales puros y aleaciones slidas

Esquemas de estructuras fundidas de metalesIlustracin esquemtica de tres estructuras fundidas de metales solidificados en un molde cuadrado: (a) metales puros; (b) aleaciones de solucin slida; y (c) estructura obtenida utilizando agentes de nucleacin.

Fin de solidificacinFIG.10.4 Curva de enfriamiento de metales puros y aleaciones eutcticas durante la fundicinSOLIDIFICACIN DE LOS METALESMetales puros y aleaciones eutcticasFig. 10.5 Estructura cristalina del metal puroGroover M. p. 203

Fin de solidificacinFig: 10.6 a) Diagrama de fase para un sistema de aleacin cobre-niquel y b) Curva de enfriamiento correspondiente a la aleacin Ni-Cu con una composicin 50-50%, durante la fundicinEstructura cristalina propia de la aleacin comnAleaciones slidasGroover M. p. 204

TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL MOLDE10.3.2 Tiempo de solidificacin (p. 206)Relacin de Chvoriniv:t = (10.7) V = volumen de la pieza fundidaA = rea de enfriamiento de la pieza = constante del moldeejemplo : Para acero en molde de arena verde: = 2,14 min/cm2

La relacin V/A se conoce como mdulo de enfriamiento:Mdulo de enfriamiento: M = V/A y el tiempo de solidificacin se puede expresar como: t = M2

Aplicacin de la regla de ChvorinovEspesor de pared slida d despus de transcurridos un tiempo t:

Sin considerar efecto de extremos o cambios de seccin, podemos aplicar la relacin de Chvorinov como:

De donde:

A modo de ejemplo, observe la formacin de la pared slida conforme transcurre el tiempo.Tiempo AdmoldeMetal lquido0t

PROBLEMA 9 Para la colada de un anillo de 800 mm de dimetro exterior , 640 mm de dimetro interior y 160 mm de altura se emplear un sistema de conductos de colada de relacin 1,5:1,2:1 con dos ataques iguales diametralmente opuestos, ubicados a la mitad de la altura del anillo y un bebedero de seccin circular cuyo dimetro en la base es de 40 mm. Para la alimentacin adecuada del anillo se han previsto cinco mazarotas superiores, abiertas, igualmente espaciadas, de 160 mm de dimetro y 160 mm de altura, cuyo borde superior se encuentra a la misma altura de la cazuela de colada. Determinar el tiempo de llenado del molde despreciando el sistema de conductos. Si el anillo solidifica en 15 minutos, Cunto tiempo tardarn en solidificar las mazarotas?.Relaciones :

10.3.3 CONTRACCINLa contraccin causa cambios dimensionales y algunas veces agrietamiento. Se establece tres tipos de contraccin:Contraccin lquida(Cl ), Contraccin de solidificacin ( Cs) y Contraccin slida (Cso)

Segn FLINT,T. se trata de una contraccin tcnica que depende de:Tamao de la piezaDilatacin del metalCesin de la arenaGases desprendidosTabla 10.1 Contraccin volumtrica para diferentes metales

Figura 2. variacin del volumen especfico del hierro y de dos aleaciones ferrosas en funcin de la temperatura.

PROBLEMA El grfico de la Figura 2 muestra la variacin del volumen especfico del hierro y de dos aleaciones ferrosas en funcin de la temperatura. A partir de esta informacin se pide:Determinar la contraccin volumtrica de solidificacin en porcentaje del volumen inicial de lquido para cada una de las tres composiciones.Determinar la contraccin volumtrica del slido desde la temperatura de solidificacin hasta la temperatura ambiente para cada una de las tres composiciones. SOLUCINPara Fe y 0,80% C: Cs = 3,5% Cso = 7,2%

Referencia: SYLVIA Gerin J. CAST METALS TECHNOLOGY, Addison_Wesley, London, 1972 (cap. 7, p. 142)10.3.4 SOLIDIFICACIN DIRECCIONAL

Figure 10.14. Various types of (a) internal and (b) external chills (dark areas at corners) used in casting to eliminate porosity caused by shrinkage. Chills are placed in regions where there is a larger volume of metal, as shown in (c).ENFRIADORES (CHILL)

Distancia mxima que puede alimentar una mazarota en piezas de seccin variable

Efecto de la utilizacin de enfriadores

10.3.5 Diseo de las MazarotasAlimentacin de las fundicionesMazarotas, tiposDiseo de las mazarotas: Mtodo del MduloTemas a tratar:

MAZAROTASLas cavidades de contraccin (shrinkage cavity) en las fundiciones no son tolerables y debe adoptarse alguna forma para evitar que se produzcan en el interior de las piezas. Esto se logra adosando un depsito de reserva de metal lquido, conocido como mazarota (feeder heads or riser), que suministra material a la pieza fundida para compensar la contraccin volumtrica que ocurre durante su solidificacin.

Ilustracin esquemtica de las mazarotas

Casting riser typesMAZAROTAS: ClasificacinSe distingue dos tipos de mazarotas segn la posicin relativa de estas respecto de la pieza fundida. As:Mazarotas: (1) superior (top riser) o (2) lateral (side riser).Mazarotas: (1) abiertas (open type) o (2) ciegas (blind type)Mazarotas: (1) normales o (2) con manguitos aislantes.

Diseo de las mazarotasUbicacin de la mazarotaForma de las mazarotaDimensiones de la mazarotaDeterminacin de las dimensiones: MtodosMtodo de la circunferencia inscritaMtodo de CaineMtodo de N.R.L.Mtodo del MduloHEUVERS CIRCLE METHOD

DETERMINACIN DEL MAZAROTADOConsiderando la pieza fundiday la mazarota como elementosindependientes:

1. Condicin del tiempo de solidificacin: tm tf(a) Para mazarotas normales: Mm2 Mf2 Mm MfComo condicin mnima para acero se encuentra experimentalmente que:Mm 1,2 MfMfMm

b) Para mazarotas con manguitos aislantes (insulated riser)Cuando se empleen manguitos aislantes se deber disponer de la informacin suministrada por los fabricantes sobre las caractersticas de estos manguitos. Una de las formas consiste en especificar el factor de extensin del mdulo, e, que relaciona los mdulos de la mazarota normal y la mazarota con manguito aislante que solidifica en el mismo tiempo que la mazarota normal:

Donde: Mn = mdulo de la mazarota normalMa = mdulo de la mazarota con manguito aislantee = factor de extension del mdulo (MEF)

aMazarota normal: t = Mn2 Mazarota con manguito: ta = a Ma2 Ambas deben alimentar satisfactoriamente la pieza fundida: t = taDe donde;

2. Condicin de distancia efectivaUna mazarota slo puede ejercer su accin hasta una cierta medida a partir de su borde. Esta distancia se conoce como distancia efectiva de alimentacin y para un material dado depende principalmente de las proporciones de la seccin y del espesor T del elemento alimentadoT= espesor de la seccin; B = distancia efectiva; E = efecto de extremo

Distancia de alimentacin de una mazarota (a) superior y (b) lateralCondicin de distancia efectiva de alimentacin

Distancia de alimentacin de la mazarota

3. Condicin de entrega volumtricaLa mazarota debe suministrar suficiente metal lquido para compensar la contraccin volumtrica de la pieza fundida. En consecuencia, el volumen de la cavidad de contraccin de la mazarota debe ser igual o menor que la mxima entrega de metal que puede suministrar la mazarota.Si se define como eficiencia de la mazarota, , la relacin: = Vol. metal disponible para la alimentacin(V )/Vol mazarota (Vm) se deber tener:V = Cs (Vf + Vm) .VmReferencias:[1] Taylor, H. F. M. C. Flemings y J. Wulff: Fundicin para ingenieros, Cecsa, Mxico, 1962.[2] Wlodawer, R.:Directional Solidification of steel castings, pergamon, London, 1966.

mazarotas con manguitos aislantesInsulating sleeves Dimetro mazarotaTiempo de solidificacin (min)Sin manguitoCon manguitoEspesor 0,5 inta =a Ma2

Insulating riser sleeves are made from ceramic fiber, available in a variety of forms including open, oval, neck-downs, domed etc, used in all type of castings. Manguitos aislantes (Insulating Riser Sleeves)These are Insulating type of sleeves available in various standard sizes

PROBLEMA 12Se debe obtener por fundicin un anillo de acero de 286 mm de dimetro exterior, 186 m de dimetro interior y 25 mm de altura. El sistema de conductos de colada a emplear constituye el 10 % del peso del anillo. La contraccin volumtrica de solidificacin del metal a considerar es del 3%. Se pide:Calcular su mazarotado, empleando mazarotas cilndricas de altura igual al dimetro, el correspondiente rendimiento de la fundicin , considerando que: (1) el mdulo de las mazarotas debe ser por lo menos 20 % mayor que el del anillo; 2) la distancia efectiva de alimentacin de una mazarota es por lo menos 2 veces el espesor T del elemento que alimenta; y 3) la eficiencia de una mazarota es de 20 %. Si se desea mejorar el rendimiento de colada empleando mazarotas aisladas, de altura igual al dimetro, cuyo factor de extensin es de 1,5 y cuya mxima entrega volumtrica es de 30%, determinar las nuevas dimensiones de las mazarotas a emplear y comparar los rendimientos de colada en ambos casos.

D

SOLUCIN(a) Clculo del mazarotadoDimensiones generales del anillo:L = Lm = dm = (236) 741 mmW = (286 186)/2 = 50 mmT = 25 mmDebe cumplirse que: L > W > TUn paraleleppedo rectangular es placa o barra si:Barra: W 5 TPlaca : W > 5 TPara el anillo en cuestin; W < 5 T ; por tanto se trata de una barra.

Clculo de los mdulosDeterminacin simplificada del mdulo:El anillo es una barra, por tanto, su mdulo aproximado es:

Mdulo de la mazarota cilndrica superior, de H=D:

Por condicin (1): Mm = 1,20 MfD/5 = 1,20x8,3 mmD = 49,8 mm 50 mm

Distancia a alimentar por las mazarotas: longitud media del anilloLm = 741 mmSe supone que todas las mazarotas son iguales y que estn dispuestas sobre la circunferencia media del anillo.Distancia efectiva de alimentacin de una mazarota:De condicin (2): B = 2T (tambin del grfico B vs. T)Se observa que el dimetro de la mazarota es igual al ancho del anillo, esto es D = 50 mm = W; por tanto la conexin de las mazarotas al anillo ser sobre un cuello de 50 mm.

De las consideraciones anteriores;

Nmero de mazarotas requeridas:

Es decir, n = 5 mazarotas, igualmente espaciadas sobre la circunferencia media del anillo.

Nos falta verificar la capacidad de entrega volumtrica de cada mazarota; esto es; de condicin (3):Debe cumplirse que:

Donde; = 20% y Cs = 3.0% (datos del problema)

Vm = 0,25 (5,0)^3 = 98,17 cm3

Vf = (WxT)xLm = (5x2,5)x74,1 926,25 cm3

Tambin;

Reemplazando valores;

Observamos que cada mazarota es capaz de entregar hasta 19,6 cm3 y que la contraccin total de la porcin a alimentar es apenas 8,5 cm3, por tanto , es satisfactoria la mazarota y todas ellas que se encargan de alimentar cada una la quinta parte del anillo.Finalmente;

Usar cinco mazarotas de H=D = 50 mm, igualmente espaciadas sobre la circunferencia media del anillo

Determinacin del rendimiento de la fundicin:

o sea, = 61 %

(b) Diseo de las mazarotas aisladas, con FEM de e = 1,5Del concepto de factor de extensin del mdulo: e = Mn/Ma =(D/5)/(Da/5)De donde; Da =D/1,5 = 50/1,5 33 mm = HaN = Nmero de mazarotas requeridas:

Es decir, N = 6 mazarotas, Da=Ha = 33 mm, igualmente espaciadas sobre la circunferencia media del anillo.Verificando la capacidad de entrega de cada mazarota:Finalmente;Usar seis mazarotas de Ha=Da = 33 mm, igualmente espaciadas sobre la circunferencia media del anillo

Determinacin del rendimiento de la fundicin con mazarotas aisladas:o sea, a = 78 %Es decir, se ha incrementado significativamente el rendimiento de colada de 61% a 78%(c) Suponiendo que el costo de fundir y colar una tonelada de metal en la planta es de $75,00; Determinar la economa en el costo, en $/tonelada de pieza obtenida, debido al empleo de las mazarotas aisladas.

Resumen (10.1)(10.2)(10.3)(10.4)(10.5)(10.6)(10.7)

DETERMINACIN SIMPLIFICADA DEL MDULOMuchas formas de piezas fundidas pueden ser asimiladas a elementos sencillos cuyo mdulo se determina en forma simplificada evitando as clculos extensos y engorrosos. A continuacin se presentan algunos casos de aplicacin frecuente en el curso.a) Cubo de lado D, cilindro y esfera inscritosb) Cilindro de dimetro D y altura H

Cubo Cilindro Esfera Volumen D3 D3/4 D3/8rea6 D2 D2/2 + D2 D2Mdulo D/6D/6D/6

c) Cilindro considerado con una base sin enfriamiento. Caso de mazarotas superioresd) Barras de gran longitud (L >> W). Se desprecia el rea de los extremos

e) Anillos cerrados. Se consideran como barras curvadas uniformementef) Placas extensas (W 5 T). Se desprecia el rea de los bordesTSSeccin W x T

CORRECCIN DE MODELOS

EMPUJE METALOSTTICO

MODELOS PARA FUNDICINSe llama modelo (o tambin plantilla) de fundicin, a un dispositivo que tiene la funcin de imprimir en un molde la forma de la pieza que se quiere obtener.Los modelos y adems las placas modelo, cajas de machos, (dispositivos de funcin similar a los modelos), plantillas, etc. se fabrican en un departamento especial del taller de fundicin llamado taller de modelera (plantillera)

Materiales empleados en fabricacin de los modelos

Madera, para la produccin unitaria y en pequeos lotes de piezas.Metlicos, para cientos o miles de piezas. Tienen mayor costo pero son ms duraderos.Cemento, Yeso, yMateriales orgnicos como la resina, el poliestireno y los plsticos superligeros (poliespuma) que se emplean para fabricar modelos gasificables.Exigencias de un buen modelo de fundicin

Asegurar la obtencin de la pieza de forma y dimensiones adecuadas.Poseer alta resistencia y durabilidad.Ser ligeros y de fcil elaboracin.Deben ser de fcil obtencin y de bajo costoDeben ser poco sensible a los cambios de forma y dimensiones bajo la accin de los agentes atmosfricos.

En la mayora de las fundiciones que poseen bajo grado de mecanizacin se utilizan normalmente modelos de madera, debido a una serie de ventajas entre las que se pueden citar:Bajo costoFacilidad de elaboracinPoco pesoLa desventaja fundamental de la madera es la tendencia a absorber la humedad (higroscopicidad), lo que produce la deformacin de ella. Por esta razn, la madera destinada a la fabricacin de modelos se debe someter a procesos de secado especiales, despus de lo cual se debe impregnar con alguna sustancia que limite al mnimo la absorcin de humedad.Modelos de madera

Exigencias tecnolgicas de los modelos

Superficie de divisin1. Correccin por contraccin Los metales en estado slido poseen generalmente menor volumen que en estado lquido, o sea, la inmensa mayora de los metales se contraen a medida que se enfran. Debido a esto, el modelo debe tener dimensiones que excedan a las de la pieza en una magnitud igual a la contraccin slida del metal (Cso, desde fin de solidificacin a la temperatura ambiente).As llamamos contraccin lineal a la disminucin porcentual de las dimensiones lineales de las piezas, en relacin con las dimensiones correspondientes del modelo segn el cual se fabric la pieza.

CORECCIONES DE LOS MODELOS DE FUNDICINVALORES MEDIOS DE CONTRACCIN LINEAL DE ALGUNAS ALEACIONES(tomadas de: E. Capello, Tecnologa de la fundicin)

ALEACINDIMENSIONES DEL MODELOCONTRACCIN(mm/m)Piezas macizas(mm)Piezas con machos(mm)Fundicin gris

Acero

Bronce (10% Sn)

Aluminio y aleacioneshasta 600de 630 a 1200ms de 1200

hasta 600de 630 a 1800ms de 1800

hasta 1200de 1120 a 1800ms de 1800hasta 600de 630 a 920ms de 920

hasta 450de 480 a 1200de 1200 a 1675ms de1675

hasta 600de 630 a 1200ms de 1200108,57

2015,51311

14

13 - 1512 1311 12

2. Correccin 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:Tipo de produccin ( en serie, unitaria)Magnitud de la pieza.Mtodo de fundicinTipo de aleacin.

SOBREESPESORES TPICOS PARA MECANIZADO(Tomados de: L.E. Doyle y otros, Materiales y procesos de manufactura para ingenieros)Nota: Para superficies coladas en moldes de arena con dimensiones de hasta 300 mm

Fierro fundido(mm)Acero(mm)Latn, bronce y aluminio(mm)En superficies exteriores

En superficies interiores y agujeros2,5

33

51,5

2,5

3. Correccin por ngulo de salidaLa superficie de trabajo del modelo debe tener una cierta inclinacin que facilite la extraccin del mismo, del molde y los machos de la caja de machos. La inclinacin se mide en relacin con la vertical o mediante el ngulo formado por la pared de la pieza con la vertical.Esta correccin depende de la tcnica de moldeo y de la suavidad y grado de acabado del molde; as por ejemplo, en el moldeo manual empleando modelos de madera la inclinacin de las superficies exteriores puede variar de 3 a 5, de acuerdo a la calidad del modelo y en el moldeo en cscara empleando modelos de material ferroso puede variar de 0,25 a 1. Se recomienda emplear una mayor inclinacin de salida para las superficies interiores que para las exteriores.Lnea de particinModelo sin correccin, Con correccin

PROBLEMAPara anillo de Acero de 286 mm de dimetro exterior, 186 mm de dimetro interior y 25 mm de altura, determine las dimensiones del modelo para llevar a cabo la operacin de moldeo del mismo.SOLUCINEn este caso debemos hacer dos correcciones al modelo: por mecanizado y por contraccinPrimero, hacemos la correccin por mecanizado.Segn tabla: para el acero: superficies exteriores m = 3 mm ; agujeros m = 5 mmDimetro exterior: 286 +3 +3 = 292 mmDimetro interior : 186 - 5 - 5 = 176 mmEspesor: 25 + 3 + 3 = 31 mmLuego, debemos corregir por contraccin : Lmodelo = (1 + l ) LfDe tabla; l = 20/1000 = 0,02Dimetro exterior: (1 + 0,02)*292 = 297,84 mm 298 mmDimetro interior : (1 + 0,02)*176 = 179,52 mm 180 mmEspesor: (1 + 0,02)*31 = 31,62 mm 32 mmDimensiones del modelo:ngulo de salida?

SEGURIDAD DEL MOLDE A LA PRESIN DEL METAL FUNDIDO

Puesto que un lquido dentro de un recipiente ejerce una presin en todas las direcciones, el molde debe ser lo suficiente resistente para soportar esta presin. La manifestacin ms caracterstica de este fenmeno es la denominada presin metalosttica (o empuje metalosttico), que es la presin que ejerce el metal fundido sobre el semimolde superior (cope) intentando levantarla. Si el molde contiene machos, la presin contra el semimolde superior se ve aumentada tambin por la presin del macho. Los machos verticales lisos, es decir, machos con cantos rectos o machos tronco-cnicos apoyados en su base mayor no producen ningn impulso ascensional si estn apoyados sobre la portada o en el fondo del molde y nada del metal fundido puede pasar por debajo de ellos. En oposicin a esta presin total acta el peso del semimolde superior.EMPUJE METALOSTTICO

Presin total = Presin sobre el rea de la superficie superior del moldeFuerza esttica total: Fe = .A.hFuerza dinmica total: Fd = Fe + f*Fe Donde: = peso especfica del metal fundido, A = superficie superior del molde, h = altura de la columna de lquido sobre la superficie, y f = factor por cantidad de movimiento del metal dentro del molde (hasta 50%).Cuando las superficies transversales del molde son planasFundicin de una placa

Operacin de colada mostrando un peso adicional sobre el molde de arenaPeso a adicionar para la apertura del molde de arena o fuerza de cierre del molde metlicoWadicionar = Fdinmica Wsemimolde superior

VFuerza esttica total : Fe = * VCuando las superficies transversales del molde no son planasFuerza dinmica total: Fd = Fe + f*Fe Drag Cope Fe = Componentes verticalesV = volumen por encima de la cavidad del moldeDFundicin de un Cono D*L

Fuerza tota esttica total:Fe = Fuerza sobre la superficie superior del molde + efecto del machoFe = .V + ( - arena).Vmacho Donde V = volumen sobre la superficie superior de la cavidad del molde.(En caso de secciones circulares, hay que considerar como superficie la proyeccin sobre el dimetro)Fundicin de un cilindro y el efecto del empuje del macho: F = Vmacho

PROBLEMA 10Para la fundicin de un cilindro hueco de dimetro exterior d2 = 220 mm, dimetro interior d1 = 160 mm y longitud l = 250 mm se ha confeccionado un molde con la disposicin 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 particin es h = 152 mm. Determinar, en caso de ser necesario, el peso con que habr que cargar el molde para evitar su apertura al momento de la colada, considerando un exceso del 50% por cantidad de movimiento.

Prctica de fundicin

Horno elctrico de induccinHorno elctrico de arco indirectoHorno elctrico de arco directoHORNOS ELCTRICOS

HORNOS DE CRISOLFigura 11.21(Groover)- Cucharas de colada: (a) cuchara para gra; (b) para dos personasFigura 11.19 (Groover)- Tres tipos hornos de crisol (crucible furnaces)(a) Crisol mvil; (b) crisol estacionario; (c) crisol basculante

Generalmente, el crisol se construye de grafito aglomerado con arcilla refractaria o de fundicin gris perltica de grano fino, como se especifica a continuacin: 3% de C graftico; 0,5% de C combinado; 0,5% de Mn; (2 a 2,5)% de Si; 0,4% de P;

Horno de crisol tipo basculanteVentajas:Alta flexibilidadBajo costo de instalacinVersatilidad para el cambio de aleacionesUtilizan un tipo de energa econmicaSu operacin no requiere de mano de obra calificada

Desventajas:No son adecuados para un buen control de temperatura especialmente los que utilizan combustibles.Debido a que la transferencia de calor hacia el metal a fundir es por conduccin a travs de las paredes del crisol, esto los hace lentos al calentar.El reemplazo peridico del crisol incrementa los costos de fusin.Forma de extraccin del crisol de un horno estacionarioHorno de crisol tipo basculante

10.2.2 Vertido del metal fundido (Pouring)

Ecuacin de Bernoulli en rgimen permanente, sin friccin y resistencias que absorban energasEcuacin de Bernoulli en rgimen permanente, con friccin y resistencias que absorben energas: hf = H1 H2Teorema de Bernoulli(Expresa la conservacin de energa)

Con esta ecuacin podemos encontrar (aproximadamente) la velocidad del metal lquido en la base del bebedero (sin friccin): Si se desprecian las prdidas: hf = 0 ; (la friccin en el ducto es cero, lo cual no es cierto)Si el sistema permanece a presin atmosfrica p1 = p2Si el punto 2 se toma como referencia h2 = 0La velocidad en el punto 1 despreciable v1 = 0La ecuacin (10.2) se simplifica a:(10.4)

Si se consideran las prdidas entre los puntos 1 y 2 : hf = hprdidas Si el sistema permanece a presin atmosfrica: p1 = p2Si el punto 2 se toma como referencia: h2 = 0La velocidad en el punto 1 muy pequea v1 = 0La ecuacin (10.2) se simplifica a:Obtenindose la velocidad del metal lquido en la base del bebedero (con friccin):

Figura 1. Lneas de corriente en la descarga de un chorro desde un depsito por un orificio. Do = dimetro del orificio, Dvc = dimetro de la vena contractaFlujo por un orificio en la pared de un tanqueConcepto de coeficiente de descarga CD

Figura 2. Chorro descargado a travs de un orificioAplicando la ecuacin de Bernoulli entre los puntos 1 y 2, tenemos:(1)Concepto de coeficiente de descarga CD

Para el caso de la Figura 2;p1 = p2= patmosfricav1 muy pequea 0z1 z2 = HSe est considerando condiciones ideales, esto es sin prdidas por friccin.Con esto, la ecuacin queda como:(2)La expresin (2) proporciona nicamente la velocidad terica, ya que se desprecian las prdidas entre los dos puntos. El cociente entre la velocidad real, vr, y la terica, v, recibe el nombre de coeficiente de velocidad Cv, es decir:Y por tanto;(3)(4)

La descarga real, Q, del orificio es el producto de la velocidad real en la vena lquida contracta por el rea del chorro. El cociente entre el rea del chorro en la vena contracta, A2, y el rea del orificio, A0, se llama coeficiente de contraccin Cc.De modo que el rea de la vena contracta es A2 = Cc*A0 , y por tanto, la descarga real es:(5)(6)Es habitual combinar los dos coeficientes anteriores en uno solo denominado coeficiente de descarga CD:CD = Cv.CcDe modo que la descarga real o caudal viene dado por:(7)(8)Las prdidas entre los puntos 1 y 2 no admiten un clculo analtico, por lo que el coeficiente de velocidad, Cv, debe ser determinado experimentalmente.La expresin (8) es vlida nicamente para colada superior

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