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• Jhonatan Arley Leon Fuentes

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Parte III solidificación procesos

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Fundamentos del bastidor del metal Esta parte del libro cubre los procesos de fabricación en el que el material de trabajo de partida es un líquido o está en una condición

Contenido del capítulo

altamente plástico, y una parte se crea a través de solidificación del material. procesos de fundición y moldeo dominan esta categoría de

10.1 Visión general de la tecnología de fundición

operaciones de conformación. Con referencia a la figura 10.1, los

10.1.1 procesos de colada

procesos de solidificación pueden clasificarse según el material de

10.1.2 moldes de arena de fundición a presión

ingeniería que se procesa: (1) metales, (2) cerámicas, vidrios espec

10.2 Calefacción y verter 10.2.1 El calentamiento del metal

10.2.2 verter el metal fundido 10.2.3 Análisis de Ingeniería de colada 10.2.4 La fluidez

10,3 solidificación y refrigeración

10.3.1 solidificación de metales 10.3.2 Solidi Tiempo fi cación 10.3.3 La contracción

10.3.4 direccional solidificación 10.3.5 Riser Diseño

camente fi, 1 y (3) polímeros y materiales compuestos de matriz polimérica (EMP). Fundición de metales se trata en este capítulo y el siguiente. Glassworking está cubierta en el capítulo 12, y el procesamiento de polímeros y PMCs es tratado en los capítulos 13 y 14. Fundición es un proceso en el que el metal fundido fluye por gravedad u otra fuerza en un molde donde se solidifica es fi en la forma de la cavidad del molde. El termino fundición también se aplica a la parte que es hecho por este proceso. Es uno de los procesos de conformación más antiguas, que datan de 6000 años (nota histórica 10.1). El principio de la fundición parece simple: fundir el metal, se vierte en un molde y dejar que se enfríe y solidifique; sin embargo, hay muchos factores y variables que deben tenerse en cuenta con el fin de llevar a cabo una operación de colada éxito.

Fundición incluye tanto la fundición de lingotes y la colada de formas. El termino lingote por lo general se asocia con las industrias de metales primarios; que describe un gran casting que es simple en su forma y destinados a 1

Entre las cerámicas, vidrio sólo es procesado por solidificación; la cerámica tradicional y

los nuevos se forman usando procesos de partículas (Capítulo 16).

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Capítulo 10 / Fundamentos del bastidor del metal

molde fungible fundición

Moldeo en arena

Otros procesos de

Fundición de metales

colada molde

fundición de Los procesos de

Glassworking

solidificación

relacionados Permanente

inyección y los procesos

La extrusión de moldeo por

Transformación de polímeros y PMCs

moldeo procesos de procesos especiales para PMCs otros

FIGURA 10.1 Clasificación de los procesos de solidificación.

Nota histórica 10.1 Orígenes de la colada Fundición de metales se remonta a alrededor de 4000 BCE

El oro fue el primer metal para ser descubierto y utilizado por las

descubrieron que las mezclas de cobre y estaño (la aleación así formada era de bronce) dio mucho mejores Ings Cast- que el cobre solo. De

primeras civilizaciones; era maleable y podría ser martillado fácilmente en

fundición permitió la crea- ción de la riqueza de las naciones que podían

forma en la sala de tem- peratura. No parecía haber ninguna necesidad de

realizar lo mejor. Egipto gobernaba el mundo civilizado occidental durante la

otras maneras de dar forma de oro. Fue el descubrimiento subsiguiente de

Edad del Bronce (casi 2000 años) en gran parte debido a su capacidad para

por COP-que dio origen a la necesidad de colada. Aunque el cobre podría

llevar a cabo el proceso de fundición.

ser forjado a la forma, el proceso fue culto más di fi (debido a endurecimiento por deformación) y formas limitadas a relativamente

La religión proporciona una importante influencia durante la Edad Media

simple. Los historiadores creen que centenares de años transcurridos

(circa 400-1400) para perpetuar las habilidades del Dryman Fun-. La

antes de que el proceso de colado ing cobre se lleva a cabo primero,

construcción de catedrales y es Iglesia- requiere la fundición de campanas

probablemente por accidente durante la reducción del mineral de cobre en

que fueron utilizados en estas estructuras. De hecho, el tiempo y el esfuerzo

preparación para martillar el metal en una forma útil. De este modo, a

necesarios para emitir las grandes campanas de bronce de la época

través de la casualidad, nació el arte de la fundición. Es probable que el

ayudaron a mover el proceso de fundición desde el ámbito del arte hacia el

descubrimiento se produjo en Mesopotamia, y la “tecnología” se extendió

régimen de la tecnología. Se han hecho avances en las técnicas de

rápidamente por todo el resto del mundo antiguo.

fabricación de al moho de fusión y. moldeo Pit, en la que se formaron los moldes en un pozo profundo situado en frente del horno para simplificar el proceso de vertido, se mejoró como un procedimiento de colada. Además, el fundador campana aprendió las relaciones entre el tono de la campana,

Fue una innovación de importancia signi fi cativo en la historia de la humanidad. Cate formas mucho más intri- podría estar formada por

que fue la medida importante de la calidad del producto y su tamaño, forma, grosor, y la posición com- metal.

fundición que a golpe de martillo. herramientas y armas más sofisticadas podrían ser fabuloso- ricated. implementos más detalladas y adornos pueden ser modelados. joyería fina de oro podría ser más hermoso y valioso que por ODS met anteriores. Aleaciones se utilizan para la primera colada cuando estaba

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Otro producto importante asociado con el de- sarrollo de la fundición fue el cañón. Cronológicamente, seguido de la campana, y por lo tanto muchos de la fundición

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Capítulo 10 / Fundamentos del bastidor del metal

técnicas desarrolladas para campana fundación se aplicaron a la toma de

estas primeras armas no eran exactos y tuvo que ser despedido

cañón. El cañón fundido primero se hizo en Gante, Bélgica, en el año

relativamente corta distancia para ser eficaz. Pronto se advirtió que la

1313 por un monje-religiosa, de todas las personas. Estaba hecha de

precisión y el rango se podría mejorar si el taladro se hicieron suave

bronce, y el agujero se formó por medio de un núcleo durante la colada.

mediante el mecanizado de la superficie. Muy apropiadamente, este proceso

Debido a la superficie rough bore creado por el proceso de fundición,

de mecanizado se llamó aburrido ( Sección 21.2.5).

la posterior remodelación por procesos tales como laminación o forja. colada de lingotes se discute en el Capítulo 6. forma de fundición implica la producción de geometrías más complejas que son mucho más cerca de la fi forma deseada final de la pieza o producto. Es con la fundición de lingotes formas en lugar de que este capítulo y el siguiente se refiere. Una variedad de métodos de forma de fundición están disponibles, por lo que es uno de los más versátil de todos los procesos de fabricación. Entre sus capacidades y ventajas son las siguientes:

➢ Fundición se puede utilizar para crear geometrías de piezas complejas, incluyendo tanto externa

y las formas internas. ➢ Algunos procedimientos de colada son capaces de producir piezas a forma neta. No más se requieren operaciones de fabricación para conseguir la geometría y dimensiones de las piezas requerido. Otros procesos de fundición son cerca de la forma neta, para los que se requiere algún tipo de procesamiento de forma adicional (por lo general el mecanizado) a fin de lograr las dimensiones y los detalles precisos.

➢ Fundición se puede utilizar para producir piezas muy grandes. Castings de peso superior Se han realizado 100 toneladas.

➢ El proceso de fundición se puede realizar en cualquier metal que se puede calentar a la estado liquido. ➢ Algunos métodos de fundición son muy adecuados para la producción en masa.

También hay desventajas asociadas con desventajas de colada-diferente para diferentes métodos de moldeo. Estos incluyen limitaciones en las propiedades mecánicas, la porosidad, la mala precisión dimensional y la superficie fi acabado para algunos procesos de fundición, los riesgos de seguridad para los seres humanos en el tratamiento de metales fundidos calientes, y problemas ambientales. Las piezas hechas por procedimientos de colada varían en tamaño desde pequeños componentes de pesaje sólo unos pocos oz hasta muy grandes productos que pesen toneladas. La lista de partes incluye coronas dentales, joyas, estatuas, estufas de leña, bloques de motor y cabezas de los vehículos de automoción, bastidores de las máquinas, ruedas de ferrocarril, sartenes, tuberías y carcasas de bombas. Todas las variedades de metales se pueden colar, ferrosos y no ferrosos. Fundición también se puede utilizar en otros materiales tales como polímeros y materiales cerámicos; sin embargo, los detalles se su fi cientemente diferente que la discusión de los procesos de fundición para estos materiales se pospone hasta capítulos posteriores. Este capítulo y el siguiente tratan exclusivamente con la fundición de metales. A continuación se discuten los aspectos fundamentales que se aplican a las operaciones de prácticamente todos fundición. En el siguiente capítulo, se describen los procesos de fundición individuales, junto con algunos de los problemas de diseño de productos que deben ser considerados cuando la fabricación de piezas de fundición.

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Sección 10.1 / Visión general de la tecnología de fundición

10.1 Visión general de la tecnología de fundición 10.1 Como un proceso de producción, la fundición se lleva a cabo por lo general en una fundición. UNA fundición es una fábrica equipada para la fabricación de moldes, fusión y manipulación de metales en forma fundida, realizando el proceso de fundición, y la limpieza de la colada acabada. Los trabajadores que realizan las operaciones de colada en estas fábricas se denominan fundidores.

10.1.1 procesos de fundición La discusión de fundición lógicamente comienza con el molde. los molde contiene una cavidad cuya geometría determina la forma de la pieza de fundición. El tamaño y la forma real de la cavidad deben ser ligeramente sobredimensionada para permitir la contracción que se produce en el metal durante la solidificación y el enfriamiento. Diferentes metales se someten a diferentes cantidades de contracción, por lo que la cavidad del molde deben estar diseñados para el metal particular para ser echada si la precisión dimensional es crítica. Los moldes están hechos de una variedad de materiales, incluyendo arena, yeso, cerámica y metal. Los diversos procesos de fundición a menudo son clasi fi de acuerdo con estos diferentes tipos de moldes. Para llevar a cabo una operación de colada, el metal es primero calentada a una temperatura suficientemente alta para transformar completamente en un estado líquido. A continuación, se vierte, o dirigido de otro modo, en la cavidad del molde. en una molde abierto, La figura 10.2 (a), el metal líquido se vierte simplemente hasta que fi LLS la cavidad abierta. en un molde

cerrado, Figura 10.2 (b), una vía de paso, llamado el sistema de llenado, se proporciona para permitir que el metal fundido fluya desde el exterior del molde en la cavidad. El molde cerrado es con mucho la categoría más importante en las operaciones de fundición de producción.

Tan pronto como el metal fundido está en el molde, comienza a enfriarse. Cuando la temperatura cae por su fi cientemente (por ejemplo, al punto de congelación para un metal puro), la solidificación comienza. Solidificación implica un cambio de fase del metal. Se necesita tiempo para completar el cambio de fase, y un calor considerable se da en el proceso. Es durante este paso en el proceso que el metal asume la forma sólida de la cavidad del molde y muchas de las propiedades y características de la pieza de fundición se han establecido. Una vez que la colada se ha enfriado su fi cientemente, se retira del molde. Dependiendo del método de colada y el metal utilizado, puede ser necesario un procesamiento adicional. Esta

FIGURA 10.2 Dos formas de molde: (a) de molde abierto, simplemente un contenedor en la forma de la parte deseada; y (b) del molde, en el que la geometría del molde

es más complejo y requiere un sistema de gating (de paso) que conduce a la cavidad cerrada.

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Capítulo 10 / Fundamentos del bastidor del metal

puede incluir recortar cualquier exceso de metal a partir de la parte real fundido, limpieza de la superficie, la inspección del producto, y el tratamiento térmico para mejorar las propiedades. Además, el mecanizado puede ser requerida para alcanzar tolerancias más estrechas sobre ciertas características de la pieza y de quitar de la superficie de fundición.

procesos de fundición se dividen en dos amplias categorías, según el tipo de molde utilizado: fundición de molde fungible y fundición de molde permanente. Un molde fungible significa que el molde en el que el metal fundido es solidificación deben ser destruidos con el fin de quitar la pieza fundida. Estos moldes están hechos de arena, yeso o materiales similares, cuya forma se mantiene mediante el uso de aglomerantes de diversos tipos. moldeo en arena es el ejemplo más destacado de los procedimientos con moldes fungibles. En la fundición en arena, el metal líquido se vierte en un molde hecho de arena. Después se endurece el metal, el molde debe ser sacrificado con el fin de recuperar la pieza colada.

UNA coquilla es uno que se puede utilizar una y otra vez para producir muchas piezas fundidas. Está hecho de metal (o, menos comúnmente, un material refractario de cerámica) que puede resistir las altas temperaturas de la operación de colada. En la colada en molde permanente, el molde consta de dos (o más) secciones que se pueden abrir para permitir la retirada de la pieza acabada. fundición a presión es el proceso más familiar en este grupo. geometrías más complejas de fundición son por lo general es posible con los procedimientos con moldes fungibles. formas parte de los procedimientos con moldes permanentes están limitados por la necesidad de abrir el molde. Por otro lado, algunos de los procedimientos con moldes permanentes tienen ciertas ventajas económicas en operaciones de alta producción. Los procesos de moldeado permanente del molde fungible y se describen en el capítulo 11.

10.1.2 Moldes de arena de fundición a presión moldeo en arena es, con mucho, el proceso de fundición más importante. Un molde de arena de fundición a presión se utiliza para describir las características básicas de un molde. Muchas de estas funciones y términos son comunes a los moldes utilizados en otros procesos de fundición. Figura 10.2 (b) muestra la vista en sección transversal de un molde de arena de fundición a presión típico, lo que indica parte de la terminología. El molde consta de dos mitades: hacer frente y arrastre. los capa

pluvial es la mitad superior del molde, y la arrastrar es la mitad inferior. Estas dos partes del molde están contenidos en una caja, llamada matraz, que también se divide en dos mitades, una para el frente y el otro para el arrastre. Las dos mitades del molde se separan en el línea divisoria.

En la fundición en arena (y otros procedimientos con moldes fungibles) la cavidad del molde se forma por medio de una

modelo, que está hecho de madera, metal, plástico, u otro material y tiene la forma de la pieza a colar. La cavidad está formada por el embalaje de arena alrededor del patrón, cerca de la mitad cada uno en la frente y arrastre, de modo que cuando se retira el patrón, el vacío restante tiene la forma deseada de la pieza de fundición. El patrón se hace generalmente de gran tamaño para permitir la contracción de la metal a medida que solidifica es fi y enfría. La arena para el molde está húmedo y contiene un aglutinante para mantener su forma. La cavidad en el molde proporciona las superficies externas de la pieza de fundición. Además, una pieza de fundición puede tener superficies internas. Estas superficies se determinan por medio de una

núcleo, una forma colocado dentro de la cavidad del molde para definir la geometría interior de la pieza. En la fundición en arena, los núcleos se hacen generalmente de arena, aunque pueden utilizarse otros materiales, tales como metales, yeso, y cerámicas.

los sistema de llenado en un molde de colada es el canal o la red de canales, por los que el metal fundido fluye en la cavidad desde el exterior del molde. Como se muestra en la figura, el sistema de llenado consiste típicamente en una bebedero

( también llamado simplemente el esprúe), a través del cual el metal entra en una corredor que conduce a la cavidad principal. En la parte superior de la canal de colada, una copa

de vaciado a menudo se utiliza para minimizar salpicaduras y la turbulencia como el

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Sección 10.2 / Calefacción y verter

de metal fluye en el canal de colada. Se muestra en el diagrama como un simple embudo en forma de cono. Algunas tazas de vertido están diseñados en forma de un recipiente, con un canal abierto que conduce al canal de colada. Además del sistema de llenado, cualquier de colada en la que la contracción es significativo requiere un elevador conectado a la cavidad principal. los tubo de subida es un depósito en el molde que sirve como una fuente de metal líquido para la colada para compensar la contracción durante la solidificación. El elevador debe estar diseñado para congelar después de la colada principal con el fin de satisfacer su función.

Como el metal fluye en el molde, el aire que previamente ocupaba la cavidad, así como los gases calientes formados por reacciones del metal fundido, debe ser evacuado de manera que el metal completamente fi ll el espacio vacío. En la fundición en arena, por ejemplo, la porosidad natural del molde de arena permite que el aire y los gases de escape a través de las paredes de la cavidad. En moldes de metal permanentes, pequeños agujeros de ventilación se perforan en el molde o mecanizadas en la línea de separación para permitir la extracción de aire y gases.

10.2 Calefacción y verter Para realizar una operación de colada, el metal debe calentarse a una temperatura algo por encima de su punto de fusión y después se vierte en la cavidad del molde para solidificar. Varios aspectos de estos dos pasos se discuten en esta sección.

10.2.1 Calentamiento del metal Hornos de calentamiento de diversos tipos (Sección 11.4.1) se utilizan para calentar el metal fundido a una temperatura suf fi ciente para la fundición. La energía térmica requerida es la suma de (1) el calor para elevar la temperatura al punto de fusión, (2) el calor de fusión para convertirlo de sólido a líquido, y (3) el calor para elevar el metal fundido a la temperatura deseada para el vertido. Esto se puede expresar:

(10.1)

H r V {C s ( T metro T o) H F do l ( T pag T metro)}

dónde H total de calor necesaria para elevar la temperatura del metal a la temperatura de vertido, J (Btu); r densidad, peso de calor c específico para g / cm 3 ( lbm / in 3); do s el metal sólido, J / gC (Btu / lbm-F); T metro temperatura del metal, C (F) de fusión;

To

calor de fusión, J / g (Btu /

la temperatura de inicio, por lo general ambiente, C (F); H F

lbm); do l

peso específico de calor del metal líquido, J / gC (Btu / lbm-F); T pag

torrencial

temperatura, C (F); y V volumen de metal que se calienta, cm 3 ( en 3).

Ejemplo 10.1

Un metro cúbico de una determinada aleación eutéctica se calienta en un crisol de temperatura ambiente a 100 ° C por

Calefacción de metal

encima de su punto de fusión para la colada. densidad de la aleación

para la colada

7,5 g / cm 3, punto de fusion

800 ° C, el calor específico

0,33 J / g ° C en el estado sólido

y 0,29 J / g ° C en el estado líquido; y el calor de fusión 160 J / g. La cantidad de energía de calor hay que añadir para llevar a cabo el calentamiento, suponiendo que no hay pérdidas?

Solución: Supongamos que la temperatura ambiente en la fundición 25 ° C y que la densidad de los estados líquido y sólido del metal son los mismos. Tomando nota de que uno m 3

10 6 cm 3, y sustituyendo los valores de la propiedad en la ecuación (10.1),

H ( 7.5) (10 6) { 0,33 (800 25) 160 0,29 (100)}

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3335 (10 6) J

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Capítulo 10 / Fundamentos del bastidor del metal

La ecuación anterior es de valor conceptual, pero su valor computacional es limitada, no obstante el cálculo en el Ejemplo 10.1. El uso de la ecuación (10.1) se complica por los siguientes factores: (1) Speci fi c calor y otras propiedades térmicas de un metal sólido varían con la temperatura, especialmente si el material se somete a un cambio de fase durante el calentamiento. (2) calor específico c fi de un metal puede ser diferente en los estados sólido y líquido. (3) mayoría de los metales de fundición son aleaciones, y la mayoría de aleaciones se funden en un intervalo de temperatura entre un solidus y liquidus en lugar de en un único punto de fusión; Por lo tanto, el calor de fusión no se puede aplicar tan simplemente como se indica anteriormente. (4) Los valores de las propiedades requeridas en la ecuación para una aleación particular no están fácilmente disponibles en la mayoría de los casos. (5) Hay significantes pérdidas de calor fi no puede al medio ambiente durante el calentamiento.

10.2.2 Verter el metal fundido Después de calentar, el metal está listo para verter. Introducción de metal fundido en el molde, incluyendo su flujo a través del sistema de llenado y en la cavidad, es un paso crítico en el proceso de fundición. Para este paso para tener éxito, el metal debe fluir en todas las regiones del molde antes de solidificarse. Factores que afectan la operación de vertido incluyen temperatura de vertido, la tasa y la turbulencia de vertido.

los temperatura de vertido es la temperatura del metal fundido a medida que se introduce en el molde. Lo que es importante aquí es la diferencia entre la temperatura a la colada y la temperatura a la que comienza la congelación (el punto de fusión de un metal puro o la temperatura de liquidus de una aleación). Esta diferencia de temperatura se refiere a veces como la supercalentar. Este término también se utiliza para la cantidad de calor que debe ser eliminado desde el metal fundido entre el vertido y cuando la solidificación comienza [7].

tasa de verter se refiere a la tasa volumétrica a la que se vierte el metal fundido en el molde. Si la tasa es demasiado lento, el metal se enfríe y congelar antes llenando la cavidad. Si la tasa de vertido es excesiva, la turbulencia puede convertirse en un problema grave.

Turbulencia en flujo fl uid se caracteriza por variaciones erráticas de la magnitud y dirección de la velocidad a lo largo del fluido. El fl ujo es agitada e irregular en lugar de suave y ágil, como en flujo laminar. Turbulenta de flujo debe evitarse durante el vertido por varias razones. Se tiende a acelerar la formación de óxidos de metal que puede quedar atrapado durante la solidificación, degradando así la calidad de la pieza colada. La turbulencia también agrava la erosión del molde, el desgaste gradual de las superficies del molde debido al impacto de la fl debido metal fundido. Las densidades de la mayoría de los metales fundidos son mucho más altos que el agua y otros fluidos que se encuentran normalmente. Estos metales fundidos son también mucho más químicamente reactivos que a temperatura ambiente. En consecuencia, el desgaste causado por el flujo de estos metales en el molde es significativo, especialmente en condiciones turbulentas. La erosión es especialmente grave cuando se produce en la cavidad principal, porque la geometría de la pieza de fundición se ve afectada.

10.2.3 INGENIERÍA ANÁLISIS DE COLADA Hay varias relaciones que rigen el de flujo de metal líquido a través del sistema de llenado y en el molde. Una relación importante es El teorema de Bernoulli, que establece que la suma de las energías (cabeza, presión, cinética, y

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Sección 10.2 / Calefacción y verter

fricción) en dos puntos cualesquiera en un líquido fl debido son iguales. Esto se puede escribir de la siguiente forma:

h1

pag 1 __

r

v 12 ___

pag 2 __

h2

2 g F1

r

v 22 ___

(10.2)

2 g F2

dónde h cabeza, cm (in), pag la presión en el líquido, N / cm 2 ( lb / in 2); r densidad, g / cm 3

constante aceleración de la gravedad,

(Lbm / in 3); v fl ow velocidad, cm / s (en / seg); sol

981 cm / s / s (32,2 12 386 en / seg / seg); y F las pérdidas de carga debidas a la fricción, cm (in). Los subíndices 1 y 2 indican dos localizaciones en la de flujo líquido. la ecuación de Bernoulli puede ser simplificarse de varias maneras. Si se ignoran las pérdidas por fricción (para estar seguro, la fricción afectará el líquido flujo a través de un molde de arena), y el sistema asume que se mantiene a presión atmosférica a lo largo de, a continuación, la ecuación puede reducirse a

h1

v 12 ___

v 22 ___ 2 sol

2 gh 2

(10.3)

Esto se puede utilizar para determinar la velocidad del metal fundido en la base de la bebedero. Vamos punto 1 definirse en la parte superior del canal de colada y el punto 2 en su base. Si el punto 2 se utiliza como plano de referencia, a continuación,

0) y h 1 la cabeza en ese punto es cero ( h 2 es la altura (longitud) del bebedero. Cuando el metal se vierte en la copa de vertido y sobre los flujos hacia abajo el 0). Por lo tanto,

bebedero, su velocidad inicial en la parte superior es cero ( v 1

La ecuación (10.3) más simpli fi ca a

h1

v 22 ___ 2 sol

que puede ser resuelto para la velocidad de flujo:

v dónde v

____

2 gh

(10.4)

la velocidad del metal líquido en la base del canal de colada, cm / s (en / seg);

la altura de la colada, cm (in).

sol 981 cm / s / s (386 en / seg / seg); y h

Otra relación de importancia durante el vertido es el la ley de continuidad, que establece que la tasa de volumen de flujo fl permanece constante durante todo el líquido. La tasa de fl volumen ow es igual a la velocidad multiplicada por el área de la sección transversal del líquido fl debido. La ley de continuidad se puede expresar:

Q v 1 UNA 1

v 2 UNA 2

(10.5)

dónde Q tasa de fl volumétrica ow, cm 3 / pecado 3 / segundo); v velocidad como antes; UNA área de la sección transversal del líquido, cm 2 (

en 2); y los subíndices se refieren a dos puntos en el sistema de flujo. Por lo tanto, un aumento en los resultados de área en una

disminución de la velocidad, y viceversa.

Las ecuaciones (10.4) y (10.5) indican que el bebedero se disminuya. Como el metal se acelera durante su descenso en la abertura del bebedero, el área de la sección transversal del canal debe reducirse; de lo contrario, ya que la velocidad de la fl debido metal aumenta hacia la base del canal de colada, el aire puede ser aspirado en el líquido y llevó a cabo en la cavidad del molde. Para evitar esta condición, el bebedero está diseñado con una forma cónica, de modo que la tasa de fl ujo de volumen Virginia es la misma en la parte superior e inferior de la bebedero.

Suponiendo que el corredor de la base del bebedero a la cavidad del molde es horizontal (y por lo tanto la cabeza h es el mismo que en la base del bebedero), entonces la tasa de volumen

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Capítulo 10 / Fundamentos del bastidor del metal

de flujo a través de la puerta y en la cavidad del molde permanece igual a Virginia en la base. De acuerdo con ello, el tiempo requerido para llenar una cavidad de molde de volumen V puede ser estimada como

T MF V

__

(10.6)

Q

dónde T MF molde tiempo de llenado, s (segundos); V volumen de cavidad del molde, cm 3 ( en 3); y

Q tasa de volumen de flujo, como antes. El tiempo de llenado del molde fi calculada por la ecuación (10.6) debe ser considerado como un tiempo mínimo. Esto es porque el análisis ignora las pérdidas de fricción y el posible constricción de flujo en el sistema de llenado; por lo tanto, el tiempo de un llenado del molde será más largo que lo que se da por la ecuación (10.6).

Ejemplo 10.2

Un bebedero del molde es de 20 cm de largo, y el área de la sección transversal en su base es de 2,5 cm 2.

cálculos de colada

El bebedero alimenta un corredor horizontal que conduce a una cavidad de molde cuyo volumen es 1,560 cm 3. Determinar: (a) la velocidad del metal fundido en la base de la mazarota, (b) tasa de volumen de flujo, y el tiempo (c) para llenar el molde.

Solución: ( a) La velocidad de la fl debido de metal en la base del canal de colada está dada por la ecuación (10.4):

v

__________

2 (981) (20)

198,1 cm / s

(B) La tasa de fl volumétrica ow es

Q ( 2,5 cm 2) ( 198,1 cm / s) 495 cm 3 / s (C) Tiempo requerido para llenar una cavidad de molde de 1,560 cm 3 en este fl ujo es la tasa

T MF

1560/495 3,2 s

10.2.4 FLUIDEZ características El fl metal fundido ow se describen a menudo por el término fluidez, una medida de la capacidad de un metal a fluir dentro y fi ll el molde antes de la congelación. La fluidez es la inversa de la viscosidad (Sección 3.4); a medida que aumenta la viscosidad, la fluidez disminuye. métodos de prueba estándar están disponibles para evaluar la fluidez, incluyendo la prueba de molde en espiral se muestra en la Figura 10.3, en la que la fluidez se indica por la longitud de la solidi de metal fi ed en el canal espiral. Una espiral ya fundido significa una mayor fluidez del metal fundido.

Factores que afectan fl uidez incluyen verter temperatura relativa a punto de fusión, la composición del metal, la viscosidad del metal líquido, y la transferencia de calor a los alrededores. Una temperatura de vertido mayor en relación con el punto de congelación del metal aumenta el tiempo que permanece en el estado líquido, lo que le permite fluir más antes de la congelación.

FIGURA 10.3 la prueba del molde

espiral de fluidez, en la que la fluidez es

medido como la longitud del canal espiral que se llena por el metal fundido antes de la solidificación.

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Sección 10.3 / solidificación y refrigeración

Esto tiende a agravar ciertos problemas de colada tales como la formación de óxido, la porosidad de gas, y la penetración de metal líquido en los espacios intersticiales entre los granos de arena que forman el molde. Este último problema hace que la superficie de la pieza moldeada para contener las partículas de arena incrustada, por lo que es más duro y más abrasivo de lo normal.

Composición también afecta a la fluidez, en particular con respecto al mecanismo de solidificación del metal. La mejor fluidez se obtiene por metales que se congelan a una temperatura constante (por ejemplo, metales puros y aleaciones eutécticas). Cuando la solidificación se produce en un intervalo de temperatura (la mayoría de las aleaciones están en esta categoría), la porción fi ed parcialmente solidi interfiere con el flujo de la porción líquida, reduciendo así la fluidez. Además del mecanismo de congelamiento, la composición de metal también determina calor de fusión -La cantidad de calor necesaria para solidificar el metal desde el estado líquido. A mayor calor de fusión tiende a aumentar la fluidez medido en la fundición.

10.3 Solidificación y refrigeración Después de verter en el molde, el metal fundido se enfría y es solidificación. Esta sección examina el mecanismo físico de solidificación que se produce durante la colada. Problemas asociados con la solidificación incluyen el tiempo para un metal para congelar, contracción, direccional solidificación, y el diseño de tubo ascendente.

10.3.1 Solidificación de METALES Solidificación implica la transformación del metal fundido de nuevo en el estado sólido. El proceso de solidificación varía dependiendo de si el metal es un elemento puro o una aleación.

Los metales puros A pura de metal solidifica es fi a una temperatura constante igual a su punto de congelación, que es el mismo que su punto de fusión. Los puntos de fusión de los metales puros son bien conocidos y documentados (Tabla 4.1). El proceso se produce con el tiempo como se muestra en el diagrama de la Figura 10.4, llamada curva de enfriamiento. La congelación real lleva tiempo,

FIGURA 10.4 Enfriamiento curva

para un metal puro durante la colada.

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Capítulo 10 / Fundamentos del bastidor del metal

llamó al hora local solidificación en la fundición, durante el cual el calor latente de que el metal de fusión se libera en el molde circundante. los tiempo total solidificación es el tiempo transcurrido entre el vertido y completa solidificación. Después de la colada tiene completamente solidi ed fi, el enfriamiento continúa a una velocidad indica la pendiente descendente de la curva de enfriamiento. Debido a la acción de enfriamiento de la pared del molde, una piel fina de metal sólido se forma inicialmente en la interfase inmediatamente después de verter. Espesor de la piel aumenta para formar una cáscara alrededor del metal fundido en forma de solidificación progresa hacia dentro, hacia el centro de la cavidad. La velocidad a la que procede de congelación depende de la transferencia de calor en el molde, así como las propiedades térmicas del metal. Es de interés para examinar la formación de grano metálico y el crecimiento durante este proceso solidificación. El metal que forma la piel inicial ha sido enfriado rápidamente por la extracción de calor a través de la pared del molde. Esta acción de enfriamiento hace que los granos en la piel sea fi ne y orientado al azar. Como el enfriamiento continúa, aún más la formación del grano y el crecimiento se producen en una dirección lejos de la transferencia de calor. Dado que la transferencia de calor es a través de la pared de la piel y el moho, los granos crecen hacia el interior en forma de agujas o espinas de metal sólido. Como estas espinas se agrandan, ramas laterales forman, y a medida que crecen estas ramas, más ramas forman en ángulos rectos a la primera ramas. Este tipo de crecimiento de grano se refiere como crecimiento

dendrítico, y se produce no sólo en la congelación de los metales puros sino aleaciones también. Estas estructuras arborescentes son gradualmente llenan-in durante la congelación, como metal adicional se deposita continuamente sobre las dendritas hasta que haya ocurrido completa solidificación fi. Los granos resultantes de este crecimiento dendrítico adquieren una orientación preferida, tendiendo a ser granos gruesos, columnares alineados hacia el centro de la pieza colada. La formación de grano resultante se ilustra en la figura 10.5.

La mayoría de las aleaciones La mayoría de las aleaciones se congelan en un intervalo de temperatura más que a una sola temperatura. El intervalo exacto depende del sistema de aleación y la composición particular. La solidificación de una aleación puede explicarse con referencia a la Figura 10.6, que muestra el diagrama de fases para un sistema particular de aleación (Sección 6.1.2) y la curva de enfriamiento para una composición dada. Como temperatura desciende, la congelación empieza a la temperatura indicada por el liquidus y se completa cuando el solidus es alcanzado. El inicio de la congelación es similar a la del metal puro. Una piel delgada está formada en la pared del molde debido a la gran gradiente de temperatura en esta superficie. Congelación luego progresa como antes a través de la formación de dendritas que crecen lejos de las paredes. Sin embargo, debido a la temperatura extendido entre el liquidus y solidus, la naturaleza del crecimiento dendrítico es tal que una zona de avance se forma en la que coexisten de metal tanto líquidos como sólidos. Las porciones sólidas son las estructuras dendríticas que se han formado su fi cientemente para atrapar pequeñas islas de metal líquido en la matriz. Esta región sólido-líquido tiene una consistencia suave que ha motivado su nombre como la zona pastosa. Dependiendo de las condiciones de congelación, la zona pastosa puede ser relativamente

FIGURA 10.5 estructura de grano característico en una pieza de fundición de un metal puro,

que muestra granos orientados al azar de tamaño pequeño cerca de la pared del molde, y granos columnares grandes orientadas hacia el centro de la pieza colada.

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Sección 10.3 / solidificación y refrigeración

FIGURA 10.6 (A) Diagrama de fase para un sistema de aleación de cobre-níquel y (b) curva de enfriamiento asociado para un Ni-50% de composición Cu 50% durante la colada.

estrecho, o puede existir en la mayor parte de la pieza fundida. La última condición es promovida por factores tales como la transferencia de calor lento fuera del metal caliente y una amplia diferencia entre las temperaturas de liquidus y solidus. Poco a poco, las islas de líquido en la matriz de dendrita se solidifican como la temperatura de la colada cae a los solidus para la composición de aleación dada.

Otro factor que complica la solidificación de las aleaciones es que la composición de las dendritas a medida que comienzan a formarse favorece el metal con el punto de fusión más alto. Como congelación continúa y crecer las dendritas, se desarrolla un desequilibrio en la composición entre el metal que tiene solidi ed fi y el metal fundido restante. Este desequilibrio composición es fi nalmente se manifiesta en la pieza colada terminada en la forma de segregación de los elementos. La segregación es de dos tipos, microscópicos y macroscópicos. A nivel microscópico, la composición química varía a lo largo de cada grano individual. Esto es debido al hecho de que la columna vertebral comienzo de cada dendrita tiene una mayor proporción de uno de los elementos en la aleación. A medida que la dendrita crece en su vecindad local, que debe expandirse usando el metal líquido restante que se ha agotado parcialmente del primer componente. Finalmente, el último de metal para congelar en cada grano es la que ha sido atrapado por las ramas de la dendrita, y su composición es aún más fuera de equilibrio. Por lo tanto, hay una variación en la composición química dentro de los granos individuales de la pieza colada.

A nivel macroscópico, la composición química varía a lo largo de toda la colada. Dado que las regiones de la pieza de fundición que se congelan primero (en el exterior cerca de las paredes del molde) son más ricos en un componente que el otro, la aleación fundida restante se privó de ese componente por la congelación tiempo se produce en el interior. Por lo tanto, hay una segregación general a través de la sección transversal de la pieza colada, a veces llamado segregación lingote, como se ilustra en la figura 10.7. Las aleaciones eutécticas aleaciones eutécticas constituyen una excepción al proceso general mediante el cual las aleaciones solidifican. UNA aleación eutéctica es una composición particular en un sistema de aleación para la cual el solidus y liquidus son a la misma temperatura. Por lo tanto, la solidificación se produce a una temperatura constante en lugar de sobre un intervalo de temperatura, como se describió anteriormente. El efecto se puede ver en el diagrama de fases del sistema de plomo-estaño se muestra en la

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Capítulo 10 / Fundamentos del bastidor del metal

FIGURA 10.7 estructura de grano característico en un bastidor de la aleación, que muestra

la segregación de los componentes de aleación en el centro de la colada.

Figura 6.3. plomo puro tiene un punto de 327 ° C (621 ° F) de fusión, mientras que el estaño puro funde a 232 ° C (450 ° F). Aunque la mayoría de las aleaciones de plomo-estaño exhiben el intervalo típico de temperatura solidus-liquidus, la composición particular del 61,9% de estaño y 38,1% de plomo tiene un punto de 183 ° C (362 ° F) de fusión (congelación). Esta composición es el composición eutéctica del sistema de aleación de plomo-estaño y 183 ° C es su temperatura

eutéctica. aleaciones de plomo-estaño no se usan comúnmente en la fundición, pero Pb-Sn composiciones cerca de la eutéctica se utilizan para la soldadura eléctrica, donde el punto de fusión bajo es una ventaja. Ejemplos de aleaciones eutécticas encontradas en la fundición incluyen aluminio-silicio (11,6% de Si) y hierro (4,3% C) Reparto.

10.3.2 tiempo de solidificación Si la pieza de fundición es metal puro o aleación, la solidificación lleva tiempo. El tiempo total de solidificación es el tiempo requerido para la colada para solidificar después de verter. Este tiempo depende del tamaño y la forma de la pieza fundida por una relación empírica conocida como regla de chvorinov, Que estados:

T TS do m ( V dónde T TS

__ UNA ) norte

(10.7)

solidi fi tiempo total de cationes, min; V volumen de la pieza colada, cm 3 ( en 3);

UNA área de la superficie de la pieza colada, cm 2 ( en 2); norte es un exponente generalmente llevado a tener un valor

2; y do metro es el constante molde. Dado que norte 2, las unidades de do metro son min / cm 2 ( min / in 2), y su valor depende de las condiciones particulares de la operación de colada, incluyendo el material de molde (por ejemplo, calor específico, conductividad térmica), propiedades térmicas del metal fundido (por ejemplo, calor de fusión, calor específico c fi, conductividad térmica), y verter temperatura con respecto al punto de fusión del metal. El valor de do metro para una operación de colada dado puede basarse en los datos experimentales de las operaciones anteriores llevado a cabo utilizando el mismo material de molde, metal, y la temperatura de vertido, a pesar de que la forma de la parte puede ser bastante diferente. regla de chvorinov indica que una pieza de fundición con una mayor relación área-volumen-superficie se enfríe y solidifique más lentamente que uno con una proporción menor. Este principio se pone a buen uso en el diseño del elevador en un molde. Para realizar su función de la alimentación de metal fundido a la cavidad principal, el metal en el tubo ascendente debe permanecer en la fase líquida más largo que la pieza colada. En otras palabras, el T TS para el elevador debe superar la T TS para la colada principal. Dado que las condiciones de moldeo, tanto para elevador y de colada son los mismos, sus constantes de molde serán iguales. Mediante el diseño de la columna ascendente para tener una mayor relación de volumen a área, el principal de colada lo más probable es solidificar primera y será reducido al mínimo los efectos de la contracción. Antes de discutir cómo el elevador podría ser diseñado sobre la base de regla de chvorinov, considerar el tema de la contracción, que es la razón por qué se necesitan las canalizaciones verticales.

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Sección 10.3 / solidificación y refrigeración

10.3.3 CONTRACCIÓN La discusión de la solidificación ha descuidado el impacto de la contracción que se produce durante el enfriamiento y la congelación. El encogimiento se produce en tres etapas: (1) contracción líquido durante el enfriamiento antes de la solidificación; (2) la contracción durante el cambio de fase de líquido a sólido, llamado solidi contracción fi catión; y (3) la contracción térmica de la solidi fi colada ed durante el enfriamiento a temperatura ambiente. Los tres pasos pueden ser explicados con referencia a una pieza de fundición cilíndrico hecho en un molde abierto, como se muestra en la figura 10.8. El metal fundido inmediatamente después de verter se muestra en la parte (0) de la serie. La contracción del metal líquido durante el enfriamiento desde la temperatura de vaciado a la temperatura de congelación hace que la altura del líquido que se redujo de su nivel de partida como en (1) de la figura. La cantidad de esta contracción líquido es generalmente alrededor de 0,5%. Solidi contracción fi cación, visto en la parte (2), tiene dos efectos. En primer lugar, la contracción provoca una mayor reducción de la altura de la pieza fundida. En segundo lugar, la cantidad de metal líquido disponible para alimentar la parte central superior de la pieza de fundición se restringe. Esta suele ser la última región de congelar, y la ausencia de metales crea un vacío en el casting en este lugar. Esta cavidad de contracción se denomina tubo por fundidores. Una vez que solidificó, la pieza fundida experimenta una mayor contracción en altura y diámetro mientras se enfriaba, como en (3). Esta contracción se determina por coeficiente del metal sólido de expansión térmica, que en este caso se aplica a la inversa para determinar la contracción.

FIGURA 10.8 Contracción de una

pieza de fundición cilíndrica durante la solidificación y enfriamiento: (0) nivel de partida de metal fundido inmediatamente después de verter; (1) la reducción en el nivel de líquido causada por la contracción durante el enfriamiento; (2) reducción en la altura y la formación de cavidad de contracción causada por solidi fi contracción catión; y (3) reducción adicional de la altura y el diámetro, debido a la contracción térmica durante el enfriamiento del metal sólido. Para mayor claridad, las reducciones dimensionales son exagerados en nuestros bocetos.

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Capítulo 10 / Fundamentos del bastidor del metal

MESA • 10.1 valores de contracción lineales típicas para diferentes metales de fundición debido a la contracción térmica sólido.

Metal

La contracción lineal de metales

Las aleaciones de aluminio

1,3%

Magnesio

2,1%

Inoxidable, cromo

2,1%

Latón, amarillo

1,3% -1,6%

Aleación de

1,6%

Estaño

2,1%

hierro fundido, gris

0,8% -1,3%

Níquel

2,1%

Zinc

2,6%

hierro fundido, blanco

2,1%

Acero al carbono

1,6% - 2,1%

La contracción lineal de metales

Contracción lineal

magnesio

Compilado de [10].

Solidi contracción fi cación se produce en casi todos los metales debido a la fase sólida tiene una densidad mayor que la fase líquida. La transformación de fase que acompaña solidificación provoca una reducción en el volumen por unidad de peso de metal. La excepción es de hierro fundido que contiene alto contenido de carbono, cuya solidificación durante las etapas finales de congelación se complica por un período de grafitización, que resulta en expansión que tiende a contrarrestar la disminución volumétrica asociada con el cambio de fase [7]. Compensación por solidi contracción fi cación se consigue de varias maneras, dependiendo de la operación de colada. En la fundición en arena, metal líquido se suministra a la cavidad por medio de las canalizaciones verticales (Sección 10.3.5). En la fundición a presión (Sección 11.3.3), el metal fundido se aplica bajo presión.

Patronistas representan contracción térmica al hacer las cavidades del molde de gran tamaño. La cantidad por la que el molde se debe hacer más grande en relación con el tamaño final de fundición se denomina tolerancia de contracción patrón. Aunque el encogimiento es volumétrica, las dimensiones de la pieza de fundición se expresan de forma lineal, por lo que los derechos de emisión deben aplicarse en consecuencia. Especiales “Shrink reglas” con escamas ligeramente alargados se utilizan para hacer los patrones y moldes más grandes que la pieza de fundición deseada por la cantidad apropiada. Tabla 10.1 lista de valores típicos de contracción lineal para diferentes metales de fundición; estos valores se pueden utilizar para determinar las escalas de la regla de contracción.

10.3.4 solidificación direccional Con el fin de minimizar los efectos perjudiciales de la contracción, es deseable para las regiones de la pieza de fundición más distante de la alimentación de metal líquido para congelar primero y para la solidificación para el progreso de estas regiones a distancia hacia el tubo de subida (s). De esta manera, el metal fundido será continuamente disponible a partir de las bandas para evitar vacíos de contracción durante la congelación. El termino direccional solidificación se utiliza para describir este aspecto del proceso de congelación y los métodos por los que se controla. El direccional solidificación deseado se consigue mediante la observación de regla de chvorinov en el diseño de la pieza colada en sí, su orientación dentro del molde, y el diseño del sistema de tubo ascendente que lo alimenta. Por ejemplo, mediante la localización de las secciones de la pieza de fundición con una menor VIRGINIA relaciones de distancia de la columna ascendente, la congelación se les ocurrirán primero en estas regiones y el suministro de metal líquido para el resto de la pieza colada permanecerá abierta hasta estas secciones más voluminosos se solidifican.

Otra forma de fomentar direccional solidificación es utilizar resfriado -interno o disipadores de calor externos que causan congelación rápida en ciertas regiones de la pieza colada.

escalofríos internos son pequeñas piezas de metal colocados dentro de la cavidad antes de verter de modo que el metal fundido se solidificará primera alrededor de estas partes. El frío interno debe tener una composición química similar a la del metal que se vierte, más logrado fácilmente haciendo que el frío del mismo metal que la propia colada.

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Sección 10.3 / solidificación y refrigeración

FIGURA 10.9 (A) de coquilla para fomentar la congelación rápida del metal fundido en una sección delgada de la pieza fundida; y (b) el resultado probable si no se usara el frío externo.

escalofríos externos son insertos metálicos en las paredes de la cavidad del molde que se puede eliminar el calor del metal fundido más rápidamente que la arena circundante con el fin de promover la solidificación. A menudo se utilizan eficazmente en secciones de la colada que se di fi culto para alimentar con metal líquido, fomentando así la congelación rápida en estas secciones, mientras que la conexión con metal líquido está todavía abierta. La figura 10.9 ilustra una posible aplicación de escalofríos externos y el resultado probable en la colada si no se utiliza el frío.

Tan importante como lo es el de iniciar la congelación en las regiones apropiadas de la cavidad, también es importante evitar la solidificación prematura en las secciones del molde más cercano del tubo ascendente. De particular preocupación es la vía de paso entre el elevador y la cavidad principal. Esta conexión debe estar diseñado de tal manera que no se congela antes de la colada, lo que aislar la colada del metal fundido en el tubo ascendente. Aunque en general es deseable minimizar el volumen en la conexión (para reducir el desperdicio de metal), el área de sección transversal debe ser suficiente para retrasar la aparición de la congelación. Este objetivo se suele hacer ayudado por el pasadizo de corta longitud, de manera que absorbe el calor del metal fundido en el elevador y el casting.

10.3.5 DISEÑO VERTICAL Como se describió anteriormente, un tubo ascendente, la Figura 10.2 (b), se utiliza en un molde de arena de fundición a presión para alimentar metal líquido a la pieza fundida durante la congelación con el fin de compensar la contracción solidi fi cación. Para que funcione, el elevador debe permanecer fundido hasta después de las de fundición es solidificación. regla de chvorinov se puede utilizar para calcular el tamaño de un elevador que va a satisfacer este requisito. El siguiente ejemplo ilustra el cálculo.

Ejemplo 10.3

Una tubería vertical cilíndrico debe estar diseñado para un molde de arena de fundición a presión. La colada en sí es

diseño Riser

una placa rectangular de acero con dimensiones de 7,5 cm 12,5 cm 2,0 cm. Las observaciones previas han indicado

usando regla de chvorinov

que el tiempo total de solidificación ( T TS)

para este casting 1,6 min. El cilindro para el elevador tendrá una relación de diámetro-toheight 1.0. Determinar las dimensiones de la canalización vertical de manera que su T TS

2,0 min.

Solución: En primer lugar determinar la VIRGINIA ratio para la placa. su volumen V

7.5 12.5 2.0 187,5 cm 3, y su área de superficie UNA 2 (7,5 12.5 7.5

2.0 12.5 2.0)

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267,5 cm 2. Dado que T TS

1,6 min, la constante de molde

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Capítulo 10 / Fundamentos del bastidor del metal

do metro puede ser determinado a partir de la ecuación (10.7), utilizando un valor de norte 2 en la ecuación.

do metro

T TS ______

1.6 ____________

( VIRGINIA) 2

(187.5 / 267.5) 2

3,26 min / cm 2

A continuación, el tubo ascendente debe ser diseñado de manera que su tiempo total de solidificación es de 2,0 min, utilizando el mismo valor de la constante molde. El volumen de la columna ascendente está dada por

V pag _____ re 2 h

4

_____

y el área superficial está dada por UNA pag dh 2 pag re 2

4

Desde el D / H proporción 1,0, entonces re H. sustituyendo re para H en las fórmulas de volumen y de zona,

V pag re 3 4

y UNA pag re 2

2 pag re 2 4 1.5 pag re 2

Por lo tanto, la VIRGINIA proporción RE/ 6. El uso de esta relación en la ecuación de Chvorinov,

T TS re 2

2.0 3.26 ( re

__

6) 2

0.09056 re 2

2,0 / 0.09056 22.086 cm 2

re 4.7 cm Ya que H RE, entonces H 4.7 cm también.

El elevador representa residuos metálicos que se separa de la pieza de fundición y vuelve a fundir para hacer piezas de fundición posteriores. Es deseable que el volumen de metal en el tubo ascendente sea un mínimo. Puesto que la geometría de la columna ascendente se selecciona normalmente para maximizar el VIRGINIA ratio, esto tiende a reducir el volumen de subida tanto como sea posible. Tenga en cuenta que el volumen de la columna ascendente en el Ejemplo 10.3 es V pag( 4.7) 3 / 4 81,5 cm 3, sólo el 44% del volumen de la placa (casting), a pesar de su tiempo total de solidificación es 25% más largo.

Risers pueden ser diseñados en diferentes formas. El diseño mostrado en la figura 10.2 (b) es una mazarota lateral. Se inserta en el lado de la pieza colada por medio de un pequeño canal. UNA la parte superior de subida es uno que está conectado a la superficie superior de la pieza fundida. Canalizaciones verticales pueden ser abiertos o ciegos. Un elevador abierto está expuesta al exterior en la superficie superior de la frente. Esto tiene la desventaja de permitir que más calor se escape, la promoción de solidi fi cación más rápido. UNA mazarota ciega está encerrado completamente dentro del molde, como en la figura 10.2 (b).

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Preguntas de revisión

referencias [1] Amstead, BH, Ostwald, PF, y Begeman,

[9] Lessiter, MJ, y Kirgin, K. “Tendencias en la Fundición Industria” Materiales y procesos avanzados, Enero de 2002, págs. 42-43. [10] Manual de Metales, Vol. 15: Fundición. ASM

ML Procesos de manufactura. John Wiley & Sons, Inc., Nueva York, 1987. [2] Beeley, PR Tecnología de fundición. Mantequilla-

Internacional, Materiales Park, Ohio, 2008. [11] Mikelonis,

worths-Heinemann, Oxford, Inglaterra, 2001. [3] Negro, J, y Kohser, R. Materiales de DeGarmo

PJ (ed.). Tecnología de fundición.

y Procesos en la fabricación, 11 ed., John Wiley & Sons,

Sociedad Americana de Metales, Metales Park, Ohio, 1982.

Hoboken, Nueva Jersey, 2012. [4] Datsko, J. Propiedades

del material y cantes Procesos manufac-. John Wiley & Sons, Nueva York, 1966. [5] Edwards, L., y Endean, M. Fabricación con los materiales. Open University, Milton Keynes, y

[12] Niebel, BW, Draper, AB, Wysk, RA moern Ingeniería de Procesos de Fabricación. McGraw-Hill Book Co., Nueva York, 1989. [13] Simpson, BL Historia de la Metalcasting Industria. Sociedad Americana de Fundición, Des

Butterworth la Ciencia Ltd, Londres, 1990. [6] Flinn, AR Fundamentos

del bastidor del metal. Sociedad de Fundidores Americanos, Des Plaines, Illinois, 1987.

Plaines, Illinois, 1997. [14] Taylor, HF, Flemings, MC, y Wulff, J. Ingeniería de fundición, 2ª ed. de la Sociedad Americana de Fundidores, Inc., Des Plaines, Illinois, 1987.

[7] Heine, RW, Loper, Jr., CR, y Rosenthal, DO. Principios de la fundición de metales, 2ª ed. [15] Wick, C., Benedict, JT, y Veilleux, RF Herramienta McGraw-Hill, Nueva York, 1967. [8] Kotzin, EL (ed.). Metalcasting y los ingenieros de fabricación manual, 4ª ed., Vol. II, Formando. y Moldeo Sociedad de Ingenieros de Manufactura, Dearborn, Procesos. de la Sociedad Americana de Fundidores, Inc., Des

Michigan, 1984.

Plaines, Illinois, 1981.

Preguntas de revisión 10.1 Identificar algunas de las ventajas importantes de forma de fundición a presión procesos.

10.2 ¿Cuáles son algunas de las limitaciones y desventajas de fundición?

10.10 ¿Cuál es la ley de continuidad, ya que está relacionada con el flujo de metal fundido en la fundición?

10.11 ¿Cuáles son algunos de los factores que afectan a la fluidez de un metal fundido durante la colada en una cavidad de molde?

10.3 ¿Qué es una fábrica que realiza las operaciones de fundición normalmente se llama?

10.4 ¿Cuál es la diferencia entre un molde abierto y un molde cerrado? 10.5 Nombre de los dos tipos de moldes básicos que distinguen a los procesos de fundición.

10.6 ¿Qué es el proceso de fundición comercialmente más importantes?

10.7 ¿Cuál es la diferencia entre un patrón y un núcleo de moldeo en arena?

10.12 ¿Qué significa calor de fusión de fundición? 10.13 ¿Cómo solidificación de aleaciones difieren de solidificación de metales puros? 10.14 ¿Qué es una aleación eutéctica?

10.15 ¿Cuál es la relación conocida como regla de chvorinov en la fundición? 10.16 Identificar las tres fuentes de contracción en una fundición de metal después de verter. 10.17 ¿Qué es un enfriamiento en fundición?

10.8 Lo que se entiende por el término de sobrecalentamiento?

10.9 ¿Por qué debería turbulento flujo de metal fundido en el molde debe evitarse?

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Capítulo 10 / Fundamentos del bastidor del metal

Problema Las respuestas a problemas marcados ( UNA) se enumeran en el apéndice al final del libro.

Calefacción y verter

(B) tasa de volumen de flujo, y el tiempo (c) requerido para llenar la cavidad del molde.

10.1 ( UNA) ( unidades SI) Un disco de 40 cm de diámetro y

10.5 (unidades del SI) La velocidad de flujo de metal líquido en el canal de

5 cm de espesor se moldea de aluminio puro en una operación de colada de molde abierto. De aluminio se funde a 660 C, pero la temperatura de vertido será 800 C. La cantidad de aluminio calentado será 5% más que lo que se necesita para llenar la cavidad del molde. Calcular la cantidad de calor que debe ser añadido al metal para calentarla a la temperatura de vertido, a partir de una temperatura ambiente de 25 C. El calor de fusión de aluminio 389,3 J / g. Otras propiedades se pueden obtener a partir de las Tablas 4.1 y 4.2. Suponga que el calor específico tiene el mismo valor para el aluminio sólido y fundido.

0,8 L / seg. los

colada de un molde

área de sección transversal en la parte superior del canal de colada 750 mm 2, y su longitud de 175 mm. ¿Qué área debe utilizarse en la base de la colada para evitar la aspiración del metal fundido? 10.6 ( UNA) ( USCS unidades) El volumen de velocidad de flujo de mol-

diez de metal en el canal de colada de la copa de colada es 45 en 3 / segundo. En la parte superior, donde la copa de colada lleva en el canal de colada, el área de la sección transversal

1,0 en 2. Determinar cuál es la área debe ser en la parte inferior de la colada si su longitud 8,0 en. Se desea mantener tasa de un flujo constante,

10,2 (unidades USCS) de cobre puro se calienta a emitir un gran plato rectangular en un molde abierto. La longitud de la placa

20 en, ancho

y el espesor

10 en,

2 en. Calcular la cantidad

de calor que hay que añadir al metal para calentar desde la temperatura ambiente (75 ° F) a una temperatura de vertido de 2100 ° F. La cantidad de metal calentado será 10% más que lo que se necesita para llenar la cavidad del molde. Densidad, punto de fusión, y calor específico del metal sólido

superior e inferior, con el fin de evitar la aspiración del metal líquido. 10,7 (unidades SI) El metal fundido se vierte en la copa de colada de un molde de arena a una velocidad constante de 500 cm 3 / s. El metal fundido fluye sobre la copa y los flujos de colada en el canal de colada. La sección transversal del canal de colada es redonda, con un diámetro en la parte superior 3,4 cm. Si el canal de colada es de 22 cm de largo, determinar el diámetro apropiado en su base con el fin de mantener el mismo volumen de velocidad de flujo.

se puede encontrar en las Tablas 4.1 y 4.2. El calor específico del cobre en el estado fundido

10,8 (unidades USCS) El metal fundido se vierte en el canal de colada a

0.090 BTU / lbm-F, y su calor de fusión 80 Btu / lbm.

que lleva en el corredor de un molde de 200 mm. El área de sección transversal en su base 400 mm 2. Volumen de la cavidad del molde 0,0012 m 3. Determinar: (a) velocidad de la fl metal fundido que fluye a través de la base del canal de colada, (b) tasa de volumen de flujo, y el tiempo (c) requerido para llenar la cavidad del molde.

6.0. El área de sección transversal en la parte inferior del canal de colada es de 0,5 en 2. El bebedero conduce a un corredor horizontal que alimenta la cavidad del

75 en 3.

Determinar: (a) velocidad de la fl metal fundido que fluye a

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colada es 6,0 en largo, su área de sección transversal en la parte superior

0,8 en 2, y en la base

0,6 en 2. La Cruz-

área de la sección del corredor que conduce desde el canal de colada también 0,6 en 2, y es 8,0 en mucho antes de que conduce a la cavidad del molde, cuyo volumen 65 en 3. El volumen de la columna ascendente situado a lo largo del corredor cerca de la cavidad del molde

10,4 (unidades USCS) Un molde tiene un canal de colada de longitud

través de la base del canal de colada,

necesita para llenar el molde. Al final de vertido de la colada se llena y no es de metal insignificante en la copa de vertido. El canal de

10.3 ( UNA) ( unidades del SI) La longitud de la canal de colada

molde, cuyo volumen

una velocidad de un flujo constante durante el tiempo que se

25 en 3. Eso

realiza un total de 3,0 seg para llenar todo el molde (incluyendo la cavidad, el tubo vertical, corredor, y bebedero. Esto es más que el tiempo teórico requerido, lo que indica una pérdida de velocidad debido a la fricción en el canal de colada y un corredor. Determinar (a) la velocidad teórica y velocidad de flujo en la base de la canal de colada; (b) volumen total del molde,

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Problema

incluyendo canal de colada, corredor, y el elevador; (C) velocidad real y

constante

la velocidad de flujo en la base del canal de colada; y (d) pérdida de

cuánto tiempo se tarda en el casting para solidificar?

249

2.2 seg / mm 2 en la regla de chvorinov,

10,15 (unidades SI) En experimentos de fundición realizaron utilizando un

carga en el sistema de llenado debido a la fricción.

cierto aleación y el tipo de molde de arena, se llevó a 170 seg para una pieza de fundición en forma de cubo se solidifique. El cubo era de 50 mm de lado. (A) Determinar el valor de la

Contracción

constante de moho en regla de chvorinov. (B) Si se utiliza la

10.9 (unidades USCS) determinar la regla de contracción para ser utilizados

misma aleación y el molde tipo, fi nd el tiempo total de

por los creadores de patrones para el magnesio. Usando el valor de

solidificación para una pieza de fundición cilíndrico en el que el

contracción en la Tabla 10.1, expresar su respuesta en términos de

diámetro

50 mm y la longitud

pulgadas de fracciones decimales de alargamiento por pie de longitud

50 mm.

en comparación con una escala de un pie estándar.

10,16 (unidades USCS) Una pieza de acero fundido tiene una geometría 10.10 ( UNA) ( unidades del SI) Determinar el estado de contracción de

4,0 en y

cilíndrica con diámetro

ser usado por fabricantes de moldes para fundición a presión de zinc.

peso

Usando el valor de contracción en la Tabla 10.1, expresar su respuesta

se lanza. Otra de colada de forma cilíndrica con la misma

en términos de mm decimal de la elongación por cada 300 mm de

relación de diámetro a longitud pesa 12 lb. Se hechas del

longitud en comparación con una escala estándar de 300 mm.

mismo acero, y las mismas condiciones de molde y verter se

20 lb. Se tarda 6,0 min para solidificar cuando

utilizan. Determinar: (a) las dimensiones y (b) tiempo de 10,11 (unidades SI) A FL en placa es ser echado en un molde abierto, cuyo fondo tiene una forma cuadrada que es de 200 mm por 200

solidificación total de la pieza de fundición más ligero. La densidad del acero se da en la Tabla 4.1.

mm. El molde es de 40 mm de profundidad. Un total de 1.000.000 mm 3 de aluminio fundido se vierte en el molde. Solidi contracción fi cación se sabe que es 6,0%, lo que es una

10,17 (unidades SI) Total solidi veces fi cación de tres geometrías de fundición se han de comparar: (1) una esfera con un diámetro de

contracción volumétrica, no una contracción lineal. Mesa

10 cm, (2) un cilindro con diámetro y longitud tanto de 10 cm, y (3) un cubo con cada

10.1 listas de la contracción lineal debido a la contracción térmica

lado de 10 cm. La misma aleación de fundición se utiliza en los

después de la solidificación. Si la disponibilidad de metal fundido

tres casos. (A) determinar los tiempos de solidificación relativas

en el molde permite que la forma cuadrada de la placa colada

para cada geometría. (B) Basándose en los resultados de la parte

para mantener sus 200 mm por las dimensiones de 200 mm

(a), que elemento geométrico que sería el mejor riser? (C) Si la

hasta que se complete la solidificación, determinar las fi

constante de molde

dimensiones NAL de la placa.

3,5 min / cm 2 en

regla de chvorinov, calcular el tiempo de solidificación total para cada colada.

10,18 (unidades SI) Total solidi veces fi cación de tres geometrías de

Tiempo solidi fi cación y Riser Diseño

fundición se han de comparar: (1) una esfera, (2) un cilindro,

10.12 (Unidades SI) Cuando la fundición de acero de bajo carbono

bajo ciertas condiciones de moho, moho en la constante regla de chvorinov

4,0 min / cm 2.

Determinar cuánto tiempo solidificación se llevará a un casting rectangular cuya longitud 30

en el que la relación longitud-todiameter 1,0, y (3) un cubo. Volumen 1000 cm 3 para las tres formas, y la misma aleación de fundición se utiliza. (A) determinar los tiempos de solidificación relativas para cada geometría. (B) Basándose en los resultados de la parte (a), que elemento geométrico

cm, anchura 15 cm, y el espesor 20 mm.

que sería el mejor riser? (C) Si la constante de molde

10,13 (unidades SI) en el problema anterior resuelven para el tiempo total de solidificación sólo con un valor de exponente de 1,9 en regla de chvorinov en lugar de 2,0. Lo ajuste debe realizarse en las unidades de la constante de molde?

3,5 min / cm 2 en la regla de chvorinov, calcular el tiempo de solidificación total para cada colada. 10.19 Una tubería vertical cilíndrica se va a utilizar para un molde

10.14 ( UNA) ( unidades del SI) Una parte en forma de disco es echado

de aluminio. Diámetro del disco mm y espesor 16 mm. Si el molde

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sandcasting. Para un volumen de cilindro dado, determinar la

650

relación de diámetro a longitud que va a maximizar el tiempo para solidificar.

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250

Capítulo 10 / Fundamentos del bastidor del metal

10.20 ( UNA) ( unidades SI) Una tubería vertical en la forma de una esfera

hierro, y la constante de molde

16,0 min / in 2 en

está diseñado para ser un molde de arena de fundición. La fundición

regla de chvorinov, determinar las dimensiones del tubo ascendente por

es una placa rectangular, con una longitud de 200 mm, ancho 100

lo que se tardará 30% más de tiempo para el elevador se solidifique.

mm, y el espesor 18 mm. Si el tiempo total solidificación de la pieza colada en sí es conocido

10,22 (unidades USCS) Una tubería vertical cilíndrica con relación de

por ser 3,5 min, determinar el diámetro de la columna ascendente de

diámetro a longitud 1.0 es que ser diseñado para un molde de

modo que se tardará 25% más de tiempo para el tubo de subida se

arena de fundición. La geometría de colada se ilustra en la Figura

solidifique.

P10.22, en el que las unidades son pulgadas. Si la constante de

10,21 (unidades USCS) Una tubería vertical cilíndrico es que ser diseñado para un molde de arena de fundición. La longitud del

moho en regla de chvorinov

19,5 min / in 2, determinar

cilindro es ser 1,25 veces su diámetro. La fundición es una

las dimensiones de la columna ascendente de modo que el tubo de subida

placa cuadrada, cada lado 10 y espesor

se llevará a 0,5 min más tiempo para congelar que la propia colada.

0.75. Si se cuela el metal

P10.22 FIGURA Casting geometría para el problema 10.22 (las unidades son en pulgadas).

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