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TRANSFORMACION DE MATERIALES Conformado por Vaciado

Docente: Ing. Alejandro Romero Mejia Ingeniería Industrial

1 de Marzo de 2013

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Procesos de Fundición La fundición, como proceso de producción, se lleva a cabo en una fundidora. Una fundidora es una fábrica equipada para: Hacer moldes, Fundir y manejar el metal en estado líquido, Desempeñar los procesos de fundición y limpieza de las piezas terminadas.

El molde contiene una cavidad cuya forma geométrica determina la forma de la parte a fundir. La cavidad debe diseñarse de forma y tamaño ligeramente sobredimensionado, esto permitirá la contracción del metal durante la solidificación y enfriamiento. Los moldes se hacen de varios materiales que incluyen arena, yeso, cerámica y metal. EMI (Escuela Militar de Ingeniería)

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Procesos de Fundición Los procesos de fundición se clasifican frecuentemente de acuerdo a los diferentes tipos de moldes. En una operación de fundición, se calienta primero el metal a una temperatura lo suficientemente alta para transformarlo completamente al estado líquido. Después se vierte directamente en la cavidad del molde. En un molde abierto, el metal líquido se vacía simplemente hasta llenar la cavidad abierta.

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Procesos de Fundición En un molde cerrado, una vía de paso llamada sistema de vaciado permite el flujo del metal fundido desde fuera del molde hasta la cavidad.

El molde cerrado es la forma más importante de producción en operaciones de fundición. Una vez que la fundición se ha enfriado lo suficiente, se remueve el molde. EMI (Escuela Militar de Ingeniería)

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Procesos de Fundición Procesamientos posteriores

Entre éstos se encuentran: El desbaste del metal excedente de la fundición, La limpieza de la superficie, La inspección del producto y El tratamiento térmico para mejorar sus propiedades.

Además puede requerirse maquinado para lograr tolerancias estrechas en ciertas partes de la pieza y Para remover la superficie fundida y la miroestructura asociada.

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Procesos de Fundición

Se dividen en dos grandes categorías de acuerdo al tipo de molde que se utiliza: 1

Fundición con molde desechable, o no permanente.

2

Fundición con molde permamente.

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Fundición con Molde Desechable Molde Consumible

El molde donde se solidifica el metal debe ser destruido para remover la fundición. Estos moldes se hacen de arena, yeso o materiales similares que mantienen su forma, usando aglomerantes de varias clases. La fundición en arena es el ejemplo más prominente de los procesos de molde consumible. Las piezas de forma geométrica intrincada se producen generalmente mediante estos procesos.

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Fundición con Molde Permanente

Un molde permanente puede utilizarse muchas veces para producir fundiciones en cantidad. Está hecho de un metal, o algunas veces de un refractario cerámico, que soporte las altas temperaturas de la operación de fundición. El molde permanente consta de dos o más secciones que pueden abrirse para permitir la remoción de la parte terminada. La fundición en dados es el proceso más conocido de este grupo. La froma de la pieza se limita por la necesidad de abrir el molde. Algunos procesos de este tipo tienen ciertas ventajas económicas en operaciones de alta producción.

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Calentamiento y Vaciado Calentamiento del metal

Para desarrollar la operación de fundición: El metal se calienta a temperatura ligeramente mayor que su punto de fusión y Después se vacía en la cavidad del molde para que se solidifique.

Se usan varias clases de hornos (cubilotes, calentados a fuego directo, hornos de arco eléctrico y hornos de inducción) para calentar el metal. La energía calorífica requerida es la suma de: 1

Calor para elevar la temperatura hasta el punto de fusión,

2

Calor de fusión para convertir el metal de sólido a líquido y

3

Calor para elevar al metal fundido a la temperatura de vaciado.

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Calentamiento y Vaciado Energía Calorífica

Su ecuación es: H = ρV CS (Tm

To ) + Hf + C` Tp

Tm

H : Calor latente para elevar la temperatura del metal a la temperatura de fusión en Btu ( J) ρ : densidad, lb/pulg3 g/ cm3 CS : calor específico para el material sólido, Btu/ lb F ( J/ g C) Tm : temperatura de fusión del metal, F ( C) To : temperatura inicial, generalmente la ambiente, F ( C) Hf : calor de fusión, Btu/ lb ( J/ g) C` : calor específico del metal líquido, Btu/ lb F ( J/ g C) Tp : temperatura de vaciado, F ( C) V : volumen del metal que se calienta, pulg3 ( cm3 ) EMI (Escuela Militar de Ingeniería)

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Vaciado del Metal Fundido Después del calentamiento, el material está listo para vaciarse. El vaciado del metal fundido en el molde y su flujo dentro del sistema de vaciado y de la cavidad es un paso crítico en el proceso. Para tenga éxito, el metal debe fluir antes de solidificarse a través de todas las regiones del molde, incluida la región más importante que es la cavidad principal. Los factores que afectan la operación de vaciado son: La temperatura de vaciado, La velocidad de vaciado, y La turbulencia.

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Temperatura de Vaciado

Es la temperatura del metal fundido al momento de su introducción en el molde. Lo importante es la diferencia entre la temperatura de vaciado y la temperatura a la que empieza la solidificación. A esta diferencia de temperaturas se le llama algunas veces sobrecalentamiento. El término se utiliza también para la cantidad de calor que debe removerse del metal fundido entre el vaciado y el inicio de la solidificación.

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Velocidad de Vaciado

Se refiere a la velocidad volumétrica a la que se vierte el metal fundido dentro del molde. Si la velocidad es muy lenta, el metal puede enfriarse antes de llenar la cavidad. Si la velocidad de vaciado es excesiva, la turbulencia puede convertirse en un problema serio.

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La Turbulencia de Flujo Se caracteriza por variaciones erráticas de la velocidad a través del fluido; Cuando éste se agita, genera corrientes irregulares en lugar de fluir en forma laminar. El flujo turbulento debe evitarse durante el vaciado por varias razones: Tiende a acelerar la formación de óxidos metálicos que pueden quedar atrapados durante la solidificación, degradando así la calidad de la fundición. Agrava la erosión del molde (desgaste gradual de las superficies del molde debido al impacto del flujo de metal fundido).

La erosión es especialmente seria cuando ocurre en la cavidad principal porque afecta la forma de la parte fundida. EMI (Escuela Militar de Ingeniería)

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Análisis Ingenieril del Vaciado Una relación importante es el teorema de Bernoulli: h1 +

v2 v2 P1 P + 1 = h2 + 2 + 2 + F1 ρg 2g ρg 2g

2

Donde: h : altura, pulg ( cm) P : presión en el líquido, lb/pulg2 N/ cm2 ρ : densidad, lb/pulg3 g/ cm3 v : velocidad del flujo en pulg/ s ( cm/ s) g : aceleración de la gravedad, 386 pulg/ s2 (981 cm/ s2 ) F : pérdidas de carga debidas a la fricción, pulg ( cm) EMI (Escuela Militar de Ingeniería)

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Análisis Ingenieril del Vaciado Ley de Continuidad

Otra relación importante durante el vaciado es la ley de continuidad y se expresa como: Q = v1 A1 = v2 A2 Donde: Q : velocidad de flujo volumétrico, pulg3 / s ( cm3 / s) v : velocidad, pulg/ s ( cm/ s) A : área de la sección transversal del líquido, pulg2 ( cm2 )

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Análisis Ingenieril del Vaciado Ley de Continuidad

El área de la sección transversal del caudal debe reducirse conforme se acelera durante su descenso en el bebedero de colada; De otra manera, puede aspirar aire dentro del líquido debido al incremento de la velocidad del metal que fluye hacia la base del bebedero y conducirlo a la cavidad del molde. Para prevenir esta condición, se diseña el bebedero con un ahusamiento de manera que vA sea la misma en la parte superior y en el fondo del bebedero. Si se acepta que el canal alimentador de la base del bebedero a la cavidad del molde sea horizontal, la velocidad volumétrica dde flujoa través del sistema de vaciado y dentro de la cavidad del molde permanece igual a vA en la base.

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Análisis Ingenieril del Vaciado Tiempo de llenado del Molde

El tiempo estimado para llenar una cavidad de volumen V es: MFT =

V Q

Donde: MFT : tiempo de llenado del molde, segundos ( s) V : volumen de la cavidad del molde, pulg3 ( cm3 ) Q : velocidad volumétrica de flujo, pulg3 / s ( cm3 / s) Este tiempo debe considerarse como tiempo mínimo, debido a que el análisis ignora las pérdidas por fricción y la posible contracción del flujo en el sistema de vaciado. EMI (Escuela Militar de Ingeniería)

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Solidificación y Enfriamiento

Después de vaciar el metal fundido en el molde, éste se enfría y solidifica. Los aspectos asociados con la solidificación incluyen: El tiempo de enfriamiento del metal, La contracción, La solidificación direccional y El dieseño de las mazarotas.

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Solidificación de los Metales

La solidificación involucra el regreso del metal fundido al estado sólido. El proceso de solidificación difiere, dependiendo de si el metal es un elemento puro o una aleación. Metales puros. Un metal puro solidifica a una temperatura constante que constituye su punto de congelación o punto de fusión.

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Solidificación de los Metales Metales Puros

El proceso ocurre en un tiempo determinado como se muestra en la gráfica de la figura.

Curva de enfriamiento EMI (Escuela Militar de Ingeniería)

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Aleaciones en General

Las aleaciones solidifican generalmente en un intervalo de temperaturas en lugar de una temperatura única. El rango exacto depende del sistema de aleación y de su composición particular. Se puede explicar la solidificación de una aleación con referencia a la siguiente figura, que muestra el diagrama de fase de un sistema particular de aleación y a la curva de enfriamiento para una composición dada.

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Aleaciones en General Diagrama de Fase y Curva de Enfriamiento

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Tiempo de Solidificación Es el tiempo total necesario para que la fundición solidifique después del vaciado. Depende del tamaño y de la forma de la fundición. Se expresa por una relación empírica, conocida como regla de Chvorinov: V n TST = Cm A Donde: TST : tiempo de solidificación total, min V : volumen de fundición, pulg3 ( cm3 ) A : área superficial de la fundición, pulg2 ( cm2 ) n : exponente que toma usualmente un valor de 2 Cm : es la constante del molde. EMI (Escuela Militar de Ingeniería)

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Contracción

La contracción ocurre en tres pasos: 1

Contracción líquida durante el enfriamiento anterior a la solidificación.

2

Contracción durante el cambio de fase de líquido a sólido, llamada contracción de solidificación.

3

Contracción térmica de la fundición solidificada durante el enfriamiento hasta la temperatura ambiente.

Los tres pasos pueden explicarse con referencia a una fundición cilíndrica hecha en un molde abierto, como se muestra en la siguiente figura.

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Contracción

Pasos (0) y (1):

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Contracción Pasos (2) y (3)

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Diseño de la Mazarota Una mazarota se usa para alimentar metal líquido al proceso durante el enfriamiento y compensar así la contracción por solidificación. La mazarota debe permanecer fundida hasta después de que la fundición solidifique. Ejemplo. Debe diseñarse una mazarota cilíndrica para un molde de fundición en arena. La fundición es una placa rectangular de acero con dimensiones 3, 0 pulg 5, 0 pulg 1, 0 pulg. En observaciones previas se ha indicado que el tiempo de solidificación total para esta fundición es 1, 6 min. La mazarota cilíndrica tendrá una relación de diámetro a altura de 1, 0. Determine las dimensiones de la mazarota de manera que TST = 2, 0 min.

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