Cap 1

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Fundición, Moldeo y Procesos Afines

Fundición, Moldeo yProcesos Afines




CAPITULO 1

FUNDAMENTOS DE LA FUNDICIÓN DE METALES

La fundición es un proceso en el cual se hace fluir metal fundido dentro la cavidad d

un molde, donde solidifica y adquiere la forma del molde. Es uno de los procesos má

antiguos de formado que remonta 6 mil años atrás y son muchos los factores y variable

que debemos considerar para lograr una operación de fundición exitosa.

La fundición incluye: la fundición de lingotes y la fundición de formas. El lingote e

una fundición en grande de forma simple (barras rectangulares largas), diseñada par

volver a formarse en otros procesos subsiguientes como laminado o forjado. La fundició

de formas involucra la producción de piezas complejas que se aproximan más a la form

final deseada del producto. Este capítulo se ocupa de estas formas de fundición más qu

de los lingotes.

Existen diversos métodos para la fundición de formas, lo cual hace de este proces

uno de los más versátiles en manufactura. Sus posibilidades y ventajas son las siguientes• La fundición se puede usar para crear partes de compleja geometría, incluyend

formas externas e internas.

• Algunos procesos de fundición pueden producir partes de forma neta que no requiere

operaciones subsecuentes para llenar los requisitos de la geometría y dimensiones d

la parte.

• Se puede usar la fundición para producir partes de unos cuantos gramos hasta forma

que pesan más de 100 toneladas (coronas dentales, joyería, estatuas, bloques

cabezas para motores automotrices, bases para máquinas, ruedas para ferrocarr

tubos, carcasas para bombas, etc.).

• El proceso de fundición puede realizarse en cualquier metal que pueda calentarse

pasar al estado líquido.

• Algunos métodos de fundición son altamente adaptables a la producción en masa.




0 Se debe mencionar también las desventajas asociadas con le proceso de fundició

Estas incluyen:

• Las limitaciones de algunos procesos

• Se pueden obtener piezas con propiedades mecánicas no homogéneas

• Piezas con porosidad

• Baja precisión dimensional

• Acabado deficiente de la superficie

• Los riesgos que los trabajadores corren durante el procesamiento

• Problemas ambientales.

Se pueden fundir todas las variedades de metales ferrosos y no ferrosos polímeros

cerámicos. En este tema revisamos los fundamentos que se aplican prácticamente a toda

las operaciones de fundido; se describen los procesos de fundición individualizados, junt

con los aspectos que deben considerarse en el diseño de productos de fundición.

1.1. TECNOLOGÍA DE FUNDICIÓN

El proceso de fundiciones realiza en una fundidora. Una fundidora es una fábric

equipada para hacer moldes, fundir y manejar el metal en estado líquido, desempeñar lo

procesos de fundición y limpieza de las piezas terminadas. Los trabajadores que realiza

estas operaciones se llaman fundidores.

El primer paso que se da en el proceso de fundición es la fabricaron del molde. E

molde contiene una cavidad que dará la forma geométrica de la parte a fundir. La cavida

debe diseñarse de forma y tamaño ligeramente sobredimensionados, esto permitirá

contracción del metal durante la solidificación y enfriamiento. Cada metal sufre diferent

porcentajes de contracción, por tanto, la cavidad debe diseñarse para el metal particulaque se va a fundir. La cavidad del molde proporciona la superficie externa de la fundició

pero además puede tener superficies internas, que se definen por medio de corazones, lo

cuales son formas colocadas en el interior de la cavidad del molde para formar

geometría interior de la pieza. Los moldes se hacen de varios materiales que incluye

arena, yeso, cerámica y metal. Los procesos de fundición se clasifican frecuentemente d

acuerdo a los diferentes tipos de moldes.




En una operación de fundición, se calienta primero el metal a una temperatura

suficientemente alta para transformarlo completamente en líquido. Después se vier

directamente en la cavidad del molde. En un molde abierto figura 2.1(a), el metal líquido s

vacía simplemente hasta llenar la cavidad abierta. En un molde cerrado una vía de pasllamada sistema de vaciado permite el flujo del metal fundido desde fuera del molde hast

la cavidad. El molde cerrado es la forma más importante de producción en operaciones d

fundición. El sistema de vaciado en un molde de fundición es el canal o red de canales po

donde fluye el metal fundido hacia la cavidad desde el exterior. El sistema de vaciado

consiste típicamente en un bebedero de colada (también llamado simplemente bebedero

a través del cual entra el metal a un canal de alimentación o corredor que conduce a l

cavidad principal. En la parte superior del bebedero existe frecuentemente una copa d

vaciado para minimizar las salpicaduras y la turbulencia del metal que fluye en

bebedero. En el diagrama aparece como un simple embudo en forma de cono. Alguna

copas de vaciado se diseñan en forma de tazón, con un canal abierto que conduce a

bebedero.

En cualquier fundición cuya contracción sea significativa se requiere, además d

sistema de vaciado, una mazarota conectada a la cavidad principal. La mazarota es un

reserva en el molde que sirve como fuente de metal líquido para compensar la contracció

de la fundición durante la solidificación. A fin de que la mazarota cumpla adecuadamen

con su función, debe diseñarse de tal forma que solidifique después de la fundició

principal.

Una vez que la fundición se ha enfriado lo suficiente, se remueve del molde. Puede

necesitarse procesamientos posteriores, dependiendo del método de fundición y del met

que se usa. Entre éstos se encuentran el desbaste del metal excedente de la fundición, l

limpieza de la superficie, la inspección del producto y el tratamiento térmico para mejora

sus propiedades. Además, puede requerirse maquinado para lograr tolerancias estrechaen ciertas partes de la pieza y para remover la superficie fundida y microestructur

metalúrgica asociada.




Modelos El modelo es una forma usada para preparar y producir la cavidad en e

molde. El diseño debe ser lo más simple que sea posible para facilitar el retiro del moldEl modelo tiene en esencia la forma de la pieza a fundir con formas para bebederos

mazarotas, etc. El modelo puede estar en dos piezas una para la semicaja suprior y la otr

para la semicaja inferior para facilitar la construcción de la cavidad del molde, alguna

piezas pueden ser sueltas para que sean removidas por separado y evitar la destrucció

del modelo o del molde. La madera es el material que generalmente se usa para fabrica

los modelos ya que es sencilla de trabajar y se la encuentra fácilmente, la mader

Figura 1.1




empleada deberá estar casi seca con 5 a 6 % de humedad para evitar que se tuerza o l

formación de grietas lo que ocasionaría una distorsión en el molde final. Se usa el mode

en madera cuando se tiene un número discreto de piezas a fabricar, o cuando la pieza e

demasiado grande lo cual facilitara el manejo de la misma.

Cuando aumenta el numero de piezas es común encontrar modelos de metal hechos daluminio o magnesio que pueden estar sueltos o empotrados en soportes para modelos

también son muy comunes los modelos de yeso ya que son fáciles de elaborar pero mu

quebradizos a la hora fabricar la cavidad. El plástico también juega un papel importante e

la fabricación de modelos es un intermedio entre la madera y el metal y puede produc

cantidades considerables de moldes

Tolerancias en el Modelo El modelo con el cual se fabrica la cavidad del molde deb

ser un tanto diferente de la pieza a producir tanto en forma como en dimensiones. Esta

diferencias intencionales incorporadas al modelo se llaman tolerancias del modelo. L

tolerancia por contracción compensa la disminución de tamaño que experimenta la pieza

solidifican y enfriar. La tabla se muestra valores para contracción volumétrica para distinto

metales. La tolerancia de maquinado es la cantidad que compensa al material que s

desperdicia en operaciones de maquinado que darán el acabado final a la pieza

1.2. CALENTAMIENTO Y VACIADOPara desarrollar la operación de fundición, el metal se calienta hasta una temperatu

ligeramente mayor a su punto de fusión y después se vacía en la cavidad del molde par

que se solidifique. En esta sección consideramos varios aspectos de estos dos pasos en

fundición.

1.2.1. Calentamiento del metal

Se usan varias clases de hornos, para calentar el metal a la temperatura necesaria

La energía calorífica requerida es la suma de 1) calor para elevar la temperatura hasta

punto de fusión, 2) calor de fusión para convertir el metal sólido a líquido y 3) calor par

elevar al metal fundido a la temperatura de vaciado. Esto se puede expresar como:




Ejemplo 1: Calentamiento del metal para fundición.

Un volumen de 0.03 m3 de una cierta aleación eutéctica se va a calentar en un crisol desd

la temperatura ambiente hasta 100 ºC por encima de su punto de fusión. Las propiedade

de la aleación son densidad = 4160 kg/m3, punto de fusión = 700 ºC, calor específico d

metal = 343.32 J/kgoC en el estado sólido y 297.26 J/kgoC en el estado líquido; y el calo

de fusión = 167120.85 J/kg. ¿Cuánta energía calorífica se debe añadir para alcanzar e

calentamiento, asumiendo que no hay pérdidas?

Solución: Si aceptamos que la temperatura ambiente en la fundición = 26 ºC y que la

densidades en los estados líquido y sólido del metal son las mismas, al sustituir los valore

de las propiedades en la ecuación (2.1) se tiene:

La ecuación tiene un valor conceptual y su cálculo es de utilidad limitada, no obstante s

usa como ejemplo. El cálculo de la ecuación es complicado por los siguientes factores:1) e

calor específico y otras propiedades térmicas del metal sólido varían con la temperatura

especialmente si el metal sufre un cambio de fase durante el calentamiento; 2) el calo

específico de un metal puede ser diferente en el estado sólido y en estado líquido; 3)




mayoría de los metales de fundición son aleaciones que funden en un intervalo d

temperaturas entre sólidos y líquidos en lugar de un punto único de fusión, por lo tanto,

calor de fusión no puede aplicarse tan fácilmente como se indica arriba; 4) en la mayor

de los casos no se dispone de los valores requeridos en la ecuación para una aleació

particular y 5) durante el calentamiento hay pérdidas de calor significativas.

1.2.2 Vaciado del metal fundido

Después del calentamiento, el material está listo para vaciarse. La introducción d

metal fundido en el molde y su flujo dentro del sistema de vaciado y de la cavidad es u

paso crítico en el proceso. Para que este paso tenga éxito, el metal debe fluir antes d

solidificarse a través de todas las regiones del molde, incluida la región más important

que es la cavidad principal. Los factores que afectan la operación de vaciado son

temperatura de vaciado, la velocidad de vaciado y la turbulencia.

La temperatura de vaciado es la temperatura del metal fundido al momento de s

introducción en el molde. Lo importante aquí es la diferencia entre la temperatura d

vaciado y la temperatura a la que empieza la solidificación (el punto de fusión para u

metal puro, o la temperatura líquidus para una aleación). A esta diferencia de temperatura

se le llama algunas veces sobrecalentamiento.

La velocidad de vaciado es el caudal con que se vierte el metal fundido dentro d

molde. Si la velocidad es muy lenta, el metal puede enfriarse antes de llenar la cavidad. S

la velocidad de vaciado es excesiva provoca turbulencia y puede convertirse en u

problema serio.

La turbulencia de flujo se caracteriza por variaciones erráticas de la velocidad d

fluido; cuando éste se agita, genera corrientes irregulares en lugar de fluir en form

laminar. El flujo turbulento debe evitarse durante el vaciado por varias razones. Tiende

acelerar la formación de óxidos metálicos que pueden quedar atrapados durante

solidificación, degradando así la calidad de la fundición. La turbulencia provoca unerosión excesiva del molde, que es el desgaste gradual de las superficies del mold

debido al impacto del flujo de metal fundido. La erosión es especialmente seria cuand

ocurre en la cavidad principal porque afecta la forma de la parte fundida.

1.2.2.1 Análisis ingenieril del vaciado

Varias relaciones gobiernan el flujo del metal líquido a través del sistema de vaciad

y dentro del molde. Una relación importante es el teorema de Bernoulli , el cual establec




que la suma de las energías (altura, presión dinámica, energía cinética y fricción) en do

puntos cualquiera de un líquido que fluye es igual. Esto se puede escribir en la siguient

forma:

La ecuación de Bernoulli se puede simplificar de varias maneras. Si ignoramos la

pérdidas por fricción (de seguro, la fricción afectará el flujo del líquido a través del mold

de arena) y asumimos que el sistema permanece a presión atmosférica en toda s

extensión, entonces la ecuación puede reducirse a:

La cual puede usarse para determinar la velocidad del metal fundido en la base de

bebedero de colada. Definamos un punto (1) en la parte superior del bebedero y un pun

(2) en la base. Si el punto (2) se usa como referencia, entonces la altura en ese punto e

cero ( h2 =0 )y h1 es la altura (longitud) del bebedero. Cuando se vierte el metal en la copde vaciado y fluye hacia abajo, su velocidad inicial en la parte superior es cero ( v 1 =0

Entonces la ecuación 1.3 se simplifica a




que se pede resolver para la velocidad del flujo:

Otra relación de importancia durante el vaciado es la ley de continuidad, la cu

establece que la velocidad volumétrica del flujo permanece constante a través del líquid

La velocidad del flujo volumétrico m3/seg es igual a la velocidad multiplicada por el área d

la sección transversal del flujo líquido. La ley de continuidad puede expresarse como:

Los subíndices se refieren a cualquiera de los dos puntos en el sistema de flujo. Entonce

un incremento en el área produce un decremento en la velocidad y viceversa.

Las ecuaciones indican que el bebedero debe ser ahusado. El área de la secció

transversal del canal debe reducirse conforme el metal se acelera durante su descenso e

el bebedero de colada; de otra manera, puede aspirar aire dentro del líquido debido a

incremento de la velocidad del metal que fluye hacia la base del bebedero y conducirlo a

cavidad del molde. Para prevenir esta condición, se diseña el bebedero con uahusamiento de manera que la velocidad volumétrica de flujo

vA sea misma en la parte superior y en el fondo del bebedero.

Si aceptamos que el canal alimentador de la base del bebedero a la cavidad de

molde sea horizontal (y por tanto que la altura sea la misma que la de la base de

bebedero), la velocidad volumétrica de flujo a través del sistema de vaciado y dentro de

cavidad del molde permanece igual a vA en la base. Por consiguiente, podemos estimar 1




tiempo requerido para llenar una cavidad de

volumen V como sigue:

El tiempo de llenado del molde calculado por la ecuación, debe considerarse com

tiempo mínimo, debido a que el análisis ignora las pérdidas por fricción y la posib

constricción del flujo en el sistema de vaciado; por tanto, el tiempo de llenado del mold

será mayor que el resultante de la ecuación.

Ejemplo 2.2: Cálculos de vaciado.

Un molde tiene un bebedero de colada cuya longitud es 0.20 m y el área de la secció

transversal en la base del bebedero es 0.000258 m2. El bebedero alimenta a un can

horizontal que conduce a la cavidad del molde cuyo volumen es 0.0016387 m 3. Determin

a) la velocidad del metal fundido en la base del bebedero, b) la velocidad volumétrica d

flujo y c) el tiempo de llenado del molde.

Solución: a) La velocidad del flujo de metal en la base del bebedero está dada por

ecuación 2.4

b) La velocidad volumétrica de flujo es

Q =(0.000258 m2)(1.98 m/seg) = 0.00051107 m3/seg

c) El tiempo requerido para llenar una cavidad de 0.0016387 m2 con este flujo es

MFT =0.0016387/0.0005152 = 3.2 seg.

1.2.3 Fluidez

Las características del metal fundido se describen frecuentemente con el términ

1




fluidez, una medida de la capacidad del metal par llenar el molde antes de enfriar. Existe

métodos normales de ensayo para valorar la fluidez, como el molde espiral de prueba qu

se muestra en la figura 2.2, donde la fluidez se mide por la longitud del metal solidificad

en el canal espiral. A mayor longitud, mayor fluidez del metal fundido.

Los factores que afectan la fluidez son la temperatura de vaciado, la composición demetal, la viscosidad del metal líquido y el calor transferido de los alrededores. Un

temperatura mayor, con respecto al punto de solidificación del metal, incrementa el tiemp

que el metal permanece en estado líquido permitiéndole avanzar más, antes d

solidificarse. Esto tiende a agravar ciertos problemas como la formación de óxido,

porosidad gaseosa y la penetración del metal líquido en los espacios intersticiales entre lo

gramos de arena que componen el molde. Este último problema causa que la superficie d

la fundición incorpore partículas de arena que la hacen más rugosa y abrasiva de

normal.

1.3 SOLIDIFICACIÓN Y ENFRIAMIENTO

Después de vaciar el metal fundido en el molde, éste se enfría y solidifica. En est

sección examinaremos los mecanismos físicos de solidificación que ocurren durante

fundición. Los aspectos asociados con la solidificación incluyen el tiempo de enfriamiendel metal, la contracción, la solidificación direccional y el diseño de las mazarotas.

1.3.1 Solidificación de los metales

La solidificación involucra el regreso del metal fundido al estado sólido. El proceso d

solidificación difiere, dependiendo de si el metal es un elemento puro o una aleación.

1

Figura 1.2




Metales puros. Un metal puro solidifica a una temperatura constante que constituy

su punto de congelación o punto de fusión. Los puntos de fusión de los metales puros so

bien conocidos. El proceso ocurre en un tiempo determinado como se muestra en la figur

2.3, conocida como curva de enfriamiento. La solidificación real toma un tiempo llamado

tiempo local de solidificación, durante el cual el calor latente de fusión del metal escapfuera del molde. El tiempo total de solidificación va desde el momento de vaciar el met

hasta su completa solidificación. Después que la fundición se ha solidificad

completamente, el enfriamiento continúa a una velocidad indicada por la pendiente hac

debajo de la curva de enfriamiento.

Debido a la acción refrigerante de la pared del molde, se forma una delgada películ

inicial de metal sólido en la pared inmediatamente después del vaciado. El espesor de est

película aumenta para formar una costra alrededor del metal fundido que va creciend

hacia el centro de la cavidad conforme progresa la solidificación. La velocidad d

enfriamiento depende del calor que se transfiere en el molde y de las propiedades térmica

del metal.

1

Figura 1.3




Es interesante examinar la formación del grano metálico y su crecimiento durant

este proceso de solidificación. El metal que forma la película inicial se ha enfriad

rápidamente por la extracción de calor a través de la pared del molde. Esta acción d

enfriamiento causa que los granos de la película sean finos, equiaxiales y orientadoaleatoriamente. Al continuar el enfriamiento se forman más granos y el crecimiento ocurr

en direcciones alejadas de la transferencia de calor. Como el calor se transfiere a travé

de la costra y la pared del molde, los granos crecen hacia adentro como agujas o espina

de metal sólido. Al agrandarse estas espinas se forman ramas laterales que sigue

creciendo y forman ramas adicionales en ángulos rectos con las primeras. Este tipo d

crecimiento llamado crecimiento dendrítico del grano ocurre no solamente en

solidificación de los metales puros, sino también en la de las aleaciones. Estas estructura

tipo árbol se llevan a cabo en forma gradual durante el enfriamiento, al depositars

continuamente metal adicional en las dendritas hasta completar la solidificación. Lo

granos resultantes de este crecimiento dendrítico adoptan una orientación preferente

tienden a ser burdos y alinearse en forma de granos columnares hacia el centro de

fundición. La estructura granulada resultante se ilustra en la figura .

1

Figura 1.4




Aleaciones en general. Las aleaciones solidifican generalmente en un intervalo d

temperaturas en lugar de una temperatura única. El rango exacto depende de la aleación

su composición particular. Se puede explicar la solidificación de una aleación co

referencia a la figura 1.5, que muestra el diagrama de fase de una aleación en particular

a la curva de enfriamiento para una composición dada. Conforme desciende

temperatura, empieza la solidificación en la temperatura que indica la línea liquidus y s

completa cuando se alcanza la solidus. El inicio de la solidificación es similar a la del met

puro. Se forma una delgada película en la pared del molde debido a un alto gradiente d

temperatura en esta superficie. La solidificación continúa como para un metal pur

mediante la formación de dendritas alejadas de las paredes. Sin embargo, debido a l

propagación de la temperatura entre liquidus y solidus, el crecimiento de las dendritas e

tal que se forma una zona avanzada donde el metal sólido y el líquido coexisten. Lporción sólida está constituida por estructuras dendríticas que se han formado lo suficient

y han atrapado en la matriz pequeñas islas de líquido. La región sólido-líquido tiene un

consistencia suave que da lugar a su nombre de zona blanda. Dependiendo de la

condiciones del enfriamiento, la zona blanda puede ser relativamente angosta o pued

ocupar la mayor parte de la fundición. Los factores que promueven la última condición so

1

Figura 1.5




una lenta transferencia de calor fuera del metal caliente y una amplia diferencia entr

liquidus y solidus. Las islas de líquido en la matriz de dendrita se solidifican gradualment

al bajar la temperatura de la fundición hasta la temperatura solidus que corresponde a

composición de la aleación.

Otro factor que complica la solidificación de las aleaciones es la composición de ladendritas que al iniciar su formación son favorecidas por el metal que tiene el punto d

fusión mayor Al continuar la solidificación las dendritas crecen y se genera un desbalanc

entre la composición del metal solidificado y el metal fundido remanente. Este desbalanc

de composición se manifiesta finalmente como segregación de elementos en la

fundiciones terminadas. La segregación es de dos tipos, microscópica y macroscópica.

nivel microscópico, la composición química varía a través de cada grano individual. Esto s

debe a que la espina inicial de cada dendrita tiene una proporción más alta de uno de lo

elementos de la aleación La dendrita crece a expensas del líquido remanente que ha sid

parcialmente agotado de este primer elemento. Finalmente, el último metal que solidific

en cada grano es el que quedó atrapado en las ramas de las dendritas, cuya composició

es aún más desbalanceada. El resultado es una variación en composición química dent

de cada grano de la fundición.

A nivel macroscópico, la composición química varía a través de la fundición. Com

las regiones de la fundición que se solidifica primero (generalmente cerca de las parede

del molde) son más ricas en un componente que en otro, la composición de la aleació

fundida remanente queda modificada cuando ocurre la solidificación en el interior. S

1

Figura 1.6




genera entonces, una segregación general a través de la sección transversal de

fundición, llamada algunas veces segregación de lingote como se muestra en la figura

1.6.

Aleaciones eutécticas. Las aleaciones eutécticas constituyen una excepción d

proceso general de solidificación de las aleaciones. Una aleación eutéctica tiene un

composición particular en la cual las temperaturas sólidus y líquidus son iguales. E

consecuencia, la solidificación ocurre a una temperatura constante, y no en un rango d

temperaturas como se describió para un metal puro, el hierro fundido (4.3%C) so

ejemplos de aleaciones eutécticas que se usan en fundición.

1.3.2 Tiempo de solidificación

Si la fundición es metal puro o aleación, de todos modos, su solidificación tomtiempo. El tiempo total de solidificación es el tiempo necesario para que la fundició

solidifique después del vaciado. Este tiempo depende del tamaño y de la forma de

fundición expresada por una relación empírica conocida como regla de Chvorinov qu

establece

Dado que n = 2, las unidades de C m son (min/m2), su valor depende de la

condiciones particulares de la operación de fundición, entre las cuales se incluyen

material del molde (calor específico y conductividad térmica), propiedades térmicas d

metal de fundición (calor de fusión, calor específico y conductividad térmica), y

temperatura relativa de vaciado con respecto al punto de fusión del metal. El valor de C

para una operación dada se puede basar en datos experimentales de operaciones previas

con el mismo material de molde, metal y temperatura de vaciado, incluso cuando la form

1




de la parte haya sido bastante diferente.

La regla de Chvorinov indica que una fundición con una relación de volumen a áre

superficial se enfriará y solidificará más lentamente que otra con una relación más baj

Este principio ayuda en el diseño de la mazarota del molde. Para cumplir su función d

alimentar metal fundido a al cavidad principal, el metal en la mazarota debe permanecer efase líquida más tiempo que el de la fundición. En otras palabras, la TST para la mazaro

debe exceder la TST de la fundición principal. Como la condición del molde para

mazarota y la fundición es la misma, las constantes del molde serán iguales. Si el diseñ

de la mazarota incluye una relación de volumen a área más grande, podemos estar más

menos seguros de que la fundición principal solidificará primero y se reducirán los efecto

de la contracción. Antes de considerar el diseño de la mazarota mediante la regla d

Chvorinov tomemos en cuenta el tema de la contracción, razón por la cual se necesitan la

mazarotas.

1.3.3 Contracción

Nuestro análisis de la solidificación ha omitido el impacto de la contracción que ocurr

durante el enfriamiento y la solidificación. La contracción ocurre en tres pasos:

contracción líquida durante el enfriamiento anterior a la solidificación; 2) contracció

durante el cambio de fase de líquido a sólido, llamada contracción de solidificación, y 3

contracción térmica de la fundición solidificada durante el enfriamiento hasta

temperatura ambiente. Los tres pasos pueden explicarse con referencia a una fundició

cilíndrica hipotética hecha en un molde abierto, como se muestra en la figura 1.7.

El metal fundido inmediatamente después de vaciado se muestra en la parte (0) de

serie. La contracción del metal líquido durante el enfriamiento, desde la temperatura d

vaciado hasta la temperatura de solidificación, causa que la altura del líquido se reduzc

desde el nivel inicial como en (1) de la Fig. La cantidad de esta concentración líquida e

generalmente alrededor del 0.5%. La contracción de solidificación que se observa en parte (2) tiene dos efectos. Primero, la contracción causa una reducción posterior en

altura de la fundición. Segundo, la cantidad de metal líquido disponible para alimentar

porción superior del centro de la fundición se restringe. Ésta es usualmente la última regió

en solidificar; la ausencia de metal crea un vacío en este lugar de la fundición. Est

cavidad de encogimiento es llamada por los fundidores rechupe. Una vez solidificada,

fundición experimenta una contracción posterior en altura y diámetro mientras se enfrí

1




como en (3). Esta contracción se determina por el coeficiente de expansión térmica d

metal sólido, que en este caso se aplica a la inversa para determinar la contracción.

1




La Tabla 2.1, presenta algunos valores típicos de la contracción volumétrica par

2

Figura 1.7




diferentes metales de fundición debidos a la contracción por solidificación y a

contracción sólida paso (2) y (3). La contracción por solidificación ocurre casi en todos lo

metales porque la fase sólida tiene una mayor densidad que la fase líquida. L

transformación de fase que acompaña la solidificación causa una reducción en el volume

por unidad de peso del metal. La excepción en la tabla 2.1 es el hierro fundido con ucontenido alto de carbono, cuya solidificación se complica por un período de grafitació

durante las etapas finales de enfriamiento, que provoca una expansión tendiente

contrarrestar el crecimiento volumétrico asociado con el cambio de fase.

Los modelistas toman en cuenta la contracción por solidificación pa

sobredimensionar las cavidades de los moldes. La cantidad que hay que aumentar a la

dimensiones del molde con respecto al tamaño de la pieza final se llama tolerancia d

contracción del modelo. Aunque la contracción es volumétrica, las dimensiones de

fundición se expresan linealmente. Para hacer los modelos y los moldes más grandes qu

la pieza, se usan reglas especiales de contracción que consideran una ligera elongació

en proporción adecuada. Estas reglas varían en elongación desde menos de 3 mm a 1

mm por cada 300 mm de longitud con respecto a una regla normal, dependiendo del met

a fundir.

1.3.4 Solidificación direccional2




Para minimizar los efectos dañinos de la contracción es conveniente que las regione

de la fundición más distantes de la fuente de metal líquido se solidifiquen primero y que

solidificación progrese de estas regiones hacia la mazarota. En esta forma, el met

fundido continuará disponible en las mazarotas para prevenir los vacíos de contracció

durante la solidificación. Se usa el término -solidificación direccional para describir esaspecto del proceso de solidificación y sus métodos de control La solidificación direcciona

deseada se logra aplicando la regla de Chvorinov al diseño de la fundición, a s

orientación dentro del molde y al diseño del sistema de mazarotas. Por ejemplo, a

localizar las secciones de la fundición con menores relaciones V/A lejos de las mazarota

la solidificación aparecerá primero en estas regiones y el suministro de metal líquido pa

el resto de la fundición permanecerá abierto hasta que solidifiquen las secciones má

voluminosas.

Otra forma de fomentar la solidificación direccional es usar enfriadores sumideros d

calor internos

o externos que causan un, enfriamiento rápido en ciertas regiones de la fundición, Lo

enfriadores internos son pequeñas partes de metal colocadas dentro de la cavidad ante

del vaciado, cuyo objetivo es que el metal fundido solidifiqué primero alrededor de esta

partes. El refrigerante interno debe tener una composición química igual a la del metal qu

se vacía. Esto se logra fabricando el enfriador del mismo metal que la fundición.

Los enfriadores externos son insertos metálicos en las paredes de la cavidad d

molde que remueven el calor del metal fundido más rápidamente que la arena circundante

2

Figura 1.8




a fin de promover solidificación. Se usan a menudo en secciones de la fundición que so

difíciles de alimentar con metal líquido, el cual encuentra así un enfriamiento rápido que l

hace solidificar en estas secciones mientras la conexión con el metal líquido está todav

abierta. La figura 2.8 ilustra una posible aplicación de refrigerantes externos y el resultad

probable si no se usaran.

1.3.5 Diseño de la mazarota

Tal como se describió antes, una mazarota figura 1.8(b) se usa en un molde d

fundición para alimentar metal líquido al proceso durante el enfriamiento y compensar a

la contracción por solidificación. La mazarota debe permanecer líquido hasta después d

que la fundición solidifique. Para satisfacer este requerimiento se puede calcular el tamañ

de la mazarota usando la regla de Chvorinov. El siguiente ejemplo ilustra los cálculos.

Ejemplo 1.3: Diseño de la mazarota usando la regla de Chvorinov

Debe diseñarse una mazarota cilíndrica para un molde de fundición en arena. La fundició

es una placa rectangular de acero con dimensiones 0.0762 m x 0.127 X 0.0254 m. E

observaciones previas se ha indicado que el tiempo de solidificación total (TST ) para es

fundición = 1.6 min. La mazarota cilíndrica tendrá una relación de diámetro a altura de 1.

Determine la dimensión que la mazarota de manera que TST = 2.0 minutos.

Solución: Determine primero la relación V/A para la placa. Su volumen V = 0.0762 x 0.12

x 0.0254 = 0.0002458 m3, y la superficie del área A = 2(0.0762 x 0.127 + 0.0762 x 0.0254

0.127 x 0.0254) = 0.032258 m2. Dado que TST = 1.6 min podemos determinar la constant

del molde Cm mediante la ecuación (2.7) usando un valor de n = 2 en la ecuación.

Después debemos diseñar la mazarota de manera que su tiempo de solidificació

total sea de 2.0 min, usando el mismo valor de la constante del molde ya que tanto l

fundición como la mazarota están en el mismo molde. El volumen de la mazarota est

dado por

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y el área de la superficie esta dada por

Como estamos usando una relación D/h = 1.0 , entonces D=h. Al sustituir D por h en la

formulas del volumen y el área tenemos

entonces la relación V/A = D/6 . Usando esta relación en la ecuación de Chvorino

tenemos:

Como h=D, también h = 2.09x10-2[m]

La mazarota representa el metal de desperdicio que se separa del proceso y s

refunde para hacer fundiciones subsecuentes. Es deseable que este volumen de metal e

la mazarota sea el mínimo. Como la forma geométrica de la mazarota se seleccion

normalmente para maximizar V/A, esto tiende a reducir el volumen de la mazarota lo má

posible. Nótese que el volumen de la mazarota en nuestro ejemplo es V= (2.09X10-2)3

= 7.14X10-6 m3, solamente 55% del volumen de la placa (fundición), incluso cuando e

tiempo de solidificación total es más grande por un 25%.

La mazarota se puede diseñar en diferentes formas. El diseño mostrado en la figu

es una mazarota lateral . Está anexada a un lado de la fundición por medio de un pequeñ

canal. Una mazarota superior se conecta en la parte superior de la superficie de

fundición como en la figura . Las mazarotas pueden ser abiertas o sumergidas. Un

mazarota abierta está expuesta al exterior en la superficie superior de la tapa, pero tiene

desventaja de permitir que escape más calor, promoviendo una solidificación más rápid

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Una mazarota sumergida está completamente encerrada dentro del molde como en

figura .

2

Cap 1

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