conformado por vaciado(2)

T R A N S F O R M A C I O N D EM A T E R I A L E S

C o n f o r m a d o p o r V a c i a d o

Docente: Ing. Alejandro Romero Mejia

Ingeniera Industrial

1 de Marzo de 2013

EMI (Escuela Militar de Ingeniera) 2do C u r s o - C u a r t o S e m e s t r e Marzo/2013 1 / 28

Procesos de Fundicin

La fundicin, como proceso de produccin, se lleva a cabo en unafundidora.Una fundidora es una fbrica equipada para:

Hacer moldes,Fundir y manejar el metal en estado lquido,Desempear los procesos de fundicin y limpieza de las piezasterminadas.

El molde contiene una cavidad cuya forma geomtrica determinala forma de la parte a fundir.La cavidad debe disearse de forma y tamao ligeramentesobredimensionado, esto permitir la contraccin del metaldurante la solidificacin y enfriamiento.Los moldes se hacen de varios materiales que incluyen arena,yeso, cermica y metal.



Los procesos de fundicin se clasifican frecuentemente de acuerdoa los diferentes tipos de moldes.En una operacin de fundicin, se calienta primero el metal a unatemperatura lo suficientemente alta para transformarlocompletamente al estado lquido.Despus se vierte directamente en la cavidad del molde.En un molde abierto, el metal lquido se vaca simplemente hastallenar la cavidad abierta.



En un molde cerrado, una va de paso llamada sistema de vaciadopermite el flujo del metal fundido desde fuera del molde hasta lacavidad.

El molde cerrado es la forma ms importante de produccin enoperaciones de fundicin.Una vez que la fundicin se ha enfriado lo suficiente, se remueveel molde.


Procesos de FundicinProcesamientos posteriores

Entre stos se encuentran:

El desbaste del metal excedente de la fundicin,

La limpieza de la superficie,

La inspeccin del producto y

El tratamiento trmico para mejorar sus propiedades.

Adems puede requerirse maquinado para lograr toleranciasestrechas en ciertas partes de la pieza yPara remover la superficie fundida y la miroestructura asociada.



Se dividen en dos grandes categoras de acuerdo al tipo de moldeque se utiliza:

1 Fundicin con molde desechable, o no permanente.

2 Fundicin con molde permamente.


Fundicin con Molde DesechableMolde Consumible

El molde donde se solidifica el metal debe ser destruido pararemover la fundicin.Estos moldes se hacen de arena, yeso o materiales similares quemantienen su forma, usando aglomerantes de varias clases.La fundicin en arena es el ejemplo ms prominente de losprocesos de molde consumible.Las piezas de forma geomtrica intrincada se producengeneralmente mediante estos procesos.


Fundicin con Molde Permanente

Un molde permanente puede utilizarse muchas veces paraproducir fundiciones en cantidad.Est hecho de un metal, o algunas veces de un refractariocermico, que soporte las altas temperaturas de la operacin defundicin.El molde permanente consta de dos o ms secciones que puedenabrirse para permitir la remocin de la parte terminada.La fundicin en dados es el proceso ms 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 econmicasen operaciones de alta produccin.


Calentamiento y VaciadoCalentamiento del metal

Para desarrollar la operacin de fundicin:

El metal se calienta a temperatura ligeramente mayor que su puntode fusin y

Despus se vaca en la cavidad del molde para que se solidifique.

Se usan varias clases de hornos (cubilotes, calentados a fuegodirecto, hornos de arco elctrico y hornos de induccin) paracalentar el metal.La energa calorfica requerida es la suma de:

1 Calor para elevar la temperatura hasta el punto de fusin,

2 Calor de fusin para convertir el metal de slido a lquido y

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


Calentamiento y VaciadoEnerga Calorfica

Su ecuacin es:

H = V

CS (Tm To) +Hf + C`Tp Tm

H : Calor latente para elevar la temperatura del metal a la temperaturade fusin en Btu ( J) : densidad, lb/pulg3

g/ cm3

CS : calor especfico para el material slido, Btu/ lb F ( J/ g C)Tm : temperatura de fusin del metal, F ( C)To : temperatura inicial, generalmente la ambiente, F ( C)Hf : calor de fusin, Btu/ lb ( J/ g)C` : calor especfico del metal lquido, Btu/ lb F ( J/ g C)Tp : temperatura de vaciado, F ( C)V : volumen del metal que se calienta, pulg3 ( cm3)


Vaciado del Metal Fundido

Despus del calentamiento, el material est listo para vaciarse.

El vaciado del metal fundido en el molde y su flujo dentro delsistema de vaciado y de la cavidad es un paso crtico en el proceso.

Para tenga xito, el metal debe fluir antes de solidificarse a travsde todas las regiones del molde, incluida la regin ms importanteque es la cavidad principal.

Los factores que afectan la operacin de vaciado son:

La temperatura de vaciado,

La velocidad de vaciado, y

La turbulencia.


Temperatura de Vaciado

Es la temperatura del metal fundido al momento de suintroduccin en el molde.

Lo importante es la diferencia entre la temperatura de vaciado y latemperatura a la que empieza la solidificacin.

A esta diferencia de temperaturas se le llama algunas vecessobrecalentamiento.

El trmino se utiliza tambin para la cantidad de calor que deberemoverse del metal fundido entre el vaciado y el inicio de lasolidificacin.


Velocidad de Vaciado

Se refiere a la velocidad volumtrica a la que se vierte el metalfundido dentro del molde.

Si la velocidad es muy lenta, el metal puede enfriarse antes dellenar la cavidad.

Si la velocidad de vaciado es excesiva, la turbulencia puedeconvertirse en un problema serio.


La Turbulencia de Flujo

Se caracteriza por variaciones errticas de la velocidad a travsdel fluido;Cuando ste se agita, genera corrientes irregulares en lugar defluir en forma laminar.El flujo turbulento debe evitarse durante el vaciado por variasrazones:

Tiende a acelerar la formacin de xidos metlicos que puedenquedar atrapados durante la solidificacin, degradando as lacalidad de la fundicin.

Agrava la erosin del molde (desgaste gradual de las superficies delmolde debido al impacto del flujo de metal fundido).

La erosin es especialmente seria cuando ocurre en la cavidadprincipal porque afecta la forma de la parte fundida.


Anlisis Ingenieril del Vaciado

Una relacin importante es el teorema de Bernoulli:

h1 +P1g+

v212g= h2 +

P2g+

v222g+ F12

Donde:

h : altura, pulg ( cm)

P : presin en el lquido, lb/pulg2

N/ cm2

: densidad, lb/pulg3

g/ cm3

v : velocidad del flujo en pulg/ s ( cm/ s)

g : aceleracin de la gravedad, 386 pulg/ s2 (981 cm/ s2)

F : prdidas de carga debidas a la friccin, pulg ( cm)


Anlisis Ingenieril del VaciadoLey de Continuidad

Otra relacin importante durante el vaciado es la ley de continuidady se expresa como:

Q = v1A1 = v2A2

Donde:

Q : velocidad de flujo volumtrico, pulg3/ s ( cm3/ s)

v : velocidad, pulg/ s ( cm/ s)

A : rea de la seccin transversal del lquido, pulg2 ( cm2)


Anlisis Ingenieril del VaciadoLey de Continuidad

El rea de la seccin transversal del caudal debe reducirseconforme se acelera durante su descenso en el bebedero de colada;De otra manera, puede aspirar aire dentro del lquido debido alincremento de la velocidad del metal que fluye hacia la base delbebedero y conducirlo a la cavidad del molde.Para prevenir esta condicin, se disea el bebedero con unahusamiento de manera que vA sea la misma en la parte superiory en el fondo del bebedero.Si se acepta que el canal alimentador de la base del bebedero a lacavidad del molde sea horizontal, la velocidad volumtrica ddeflujoa travs del sistema de vaciado y dentro de la cavidad delmolde permanece igual a vA en la base.


Anlisis Ingenieril del VaciadoTiempo de llenado del Molde

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

MFT =VQ

Donde:

MFT : tiempo de llenado del molde, segundos ( s)

V : volumen de la cavidad del molde, pulg3 ( cm3)

Q : velocidad volumtrica de flujo, pulg3/ s ( cm3/ s)

Este tiempo debe considerarse como tiempo mnimo, debido aque el anlisis ignora las prdidas por friccin y la posiblecontraccin del flujo en el sistema de vaciado.


Solidificacin y Enfriamiento

Despus de vaciar el metal fundido en el molde, ste se enfra ysolidifica.

Los aspectos asociados con la solidificacin incluyen:

El tiempo de enfriamiento del metal,

La contraccin,

La solidificacin direccional y

El dieseo de las mazarotas.


Solidificacin de los Metales

La solidificacin involucra el regreso del metal fundido al estadoslido.

El proceso de solidificacin difiere, dependiendo de si el metal esun elemento puro o una aleacin.

Metales puros. Un metal puro solidifica a una temperaturaconstante que constituye su punto de congelacin o punto defusin.


Solidificacin de los MetalesMetales Puros

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

Curva de enfriamiento


Aleaciones en General

Las aleaciones solidifican generalmente en un intervalo detemperaturas en lugar de una temperatura nica.

El rango exacto depende del sistema de aleacin y de sucomposicin particular.

Se puede explicar la solidificacin de una aleacin con referencia ala siguiente figura, que muestra el diagrama de fase de un sistemaparticular de aleacin y a la curva de enfriamiento para unacomposicin dada.


Aleaciones en General

Diagrama de Fase y Curva de Enfriamiento


Tiempo de Solidificacin

Es el tiempo total necesario para que la fundicin solidifiquedespus del vaciado.Depende del tamao y de la forma de la fundicin.Se expresa por una relacin emprica, conocida como regla deChvorinov:

TST = Cm

VA

nDonde:

TST : tiempo de solidificacin total, min

V : volumen de fundicin, pulg3 ( cm3)

A : rea superficial de la fundicin, pulg2 ( cm2)

n : exponente que toma usualmente un valor de 2

Cm : es la constante del molde.


Contraccin

La contraccin ocurre en tres pasos:

1 Contraccin lquida durante el enfriamiento anterior a lasolidificacin.

2 Contraccin durante el cambio de fase de lquido a slido, llamadacontraccin de solidificacin.

3 Contraccin trmica de la fundicin solidificada durante elenfriamiento hasta la temperatura ambiente.

Los tres pasos pueden explicarse con referencia a una fundicincilndrica hecha en un molde abierto, como se muestra en lasiguiente figura.


Contraccin

Pasos (0) y (1):


Contraccin

Pasos (2) y (3)


Diseo de la Mazarota

Una mazarota se usa para alimentar metal lquido al procesodurante el enfriamiento y compensar as la contraccin porsolidificacin.La mazarota debe permanecer fundida hasta despus de que lafundicin solidifique.Ejemplo. Debe disearse una mazarota cilndrica para un moldede fundicin en arena. La fundicin es una placa rectangular deacero con dimensiones 3, 0 pulg 5, 0 pulg 1, 0 pulg. Enobservaciones previas se ha indicado que el tiempo desolidificacin total para esta fundicin es 1, 6 min. La mazarotacilndrica tendr una relacin de dimetro a altura de 1, 0.Determine las dimensiones de la mazarota de manera queTST = 2, 0 min.


Conformado por VaciadoCalentamiento y VaciadoVaciado del Metal FundidoAnlisis Ingenieril del VaciadoSolidificacin y EnfriamientoSolidificacin de los MetalesAleaciones en GeneralTiempo de SolidificacinContraccinDiseo de la Mazarota

conformado por vaciado(2)

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