Unidad 2.1.- Introducción a la fundición
Fundición Operaciones fundamentales Moldes
Sistemas de alimentación y distribución
Procedimientos
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 Vídeo
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 distribución Corte de
de
alimentación
y
mazarotas y canales mediante corte oxiacetilénico, cizallas… Tratamientos térmicos (acabado), Mecanizado (exigencias dimensionales y acabado superficial)
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
Calor requerido = ρ[ − + + ( − )] Sobrecalentamiento
H=calor requerido para alcanzar Tª vertido, T p Cs=calor específico para metal sólido Tm=Tª fusión metal To=Tª ambiente Hf=calor de fusión Cl=calor específico para metal líquido
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)
Fundición. Materiales Metales
Aleaciones ferrosas
Fundiciones Aceros Bronces Latones
Aleaciones de aluminio Aleaciones de magnesio Aleaciones de zinc
Termoplásticos
Aleaciones a base de cobre
Plásticos
Polietileno Polipropileno Policarbonato Poliestireno Nylón
Termoestables
Poliuretanos Resinas fenólicas
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)
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
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 ión
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 Diseño - Posición bebederos - Nº y posición canales - Nº y posición ataques - Situación mazarotas
Ataques
Sistemas de alimentación y distribución Características -
Llenado tranquilo (gases, turbulencia, oxidación) Facilitar atrapado de impurezas Controlar velocidades para evitar erosión Dimensiones suficientes sin tamaño excesivo Promover gradientes Tª para solidificación Conos de colada Depósitos de vertido
Sistemas de alimentación y distribución Bebedero
Conducto que lleva la masa líquida (caldo) desde la cuchara hasta el canal de colada Condiciones
ℎ1
Dar lugar al llenado correcto del molde Facilitar que la colada se haga a bebedero lleno Evitar erosiones y choques
ℎ2
Diseño de bebederos Simplificación de flujo ideal - Bernouilli ℎ1 + + = ℎ2 + + + f 2 2
ℎ2
- Continuidad
ℎ1
1 /2 =
= 1 1 = 2 2
Sección recta = gases (aspiración) Estrangulación
Sistemas de alimentación y distribución Conductos de la colada
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
Dimensiones de los conductos
Factores
Volumen del hueco del molde Tiempo de llenado =
Sistema divergente sin presión: Índice de colada 1:3:3
1:
S c S b
Tipo de colada
Aumento sección para reducir pérdida de carga
Índice de reducción o relación de colada :
S a S b
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
P compensa pérdida de carga Sistema convergente o a presión: Índice de colada 1:0,75:0,5
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
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 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
voluminosa
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 Uso de enfriadores y mazarotas
Solidificación dirigida
Empleo de un enfriador externo para acelerar la solidificación
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 costado
Colada por el fondo en fuente o sifón Colada con giro del molde
Colada por línea de separación
Estudio de la colada
Flujo del fluido
Velocidad de vertido – Teorema de Bernouilli
Ley de continuidad: = =
Velocidad de flujo en base del bebedero: = Fórmula se obtiene haciendo en Bernouilli v 1=0, p1=p2 y h=h1-h2
Q – Caudal o gasto volumétrico v – velocidad A - Sección
Tiempo de llenado: =
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
Estudio de la colada
Turbulencia – Nº Reynolds: =
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:
M p M t
Solidificación y enfriamiento
Tiempo de solidificación.
Tamaño y forma de la pieza. Molde, aleación y temperatura. Regla de Chorinov:
V t K S
2
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?
V 7.5 *12.5 * 2 187.5cm3 A 2(7.5 *12.5 7.5 * 2 12.5 * 2) 267.5cm 2 2
V 2 2 1.6 /(187.5 / 267.5) 3.26 min/ cm S
K t /
Volumen y área de la mazarota
V
D
2
4
h
2
;
A Dh
D/h=1
2 D 2 4
V/A=D/6
D T 2 3.26 0.09056 D 2 6 D 2 22.086cm 2 D 4.7cm H 4.7cm
Solidificación y enfriamiento
Contracciones.
Contracción líquida.
Contracción de solidificación.
Está en función de la variación del volumen específico con la temperatura. 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