Introduccion a La Fundicion.

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

https://www.youtube.com/watch?v=xcrwVTkXDEU

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


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.


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


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


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


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


Ataques

Diseño

- Posición bebederos

- Nº y posición canales

- Nº y posición ataques

- Situación mazarotas


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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.


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

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