Facultad de Ingeniería. UNLP

Departamento de MecánicaCurso: Metalurgia y Tecnología de las fundiciones Ferrosas

Docentes:

-Dr Ing Ricardo W Gregorutti

-Ing José L Sarutti

-Ing Jorge Grau

-Ing Carlos Miquelarena

Programa:

1-Estudio de moldeo, Procesos de moldeo,Sistema de alimentación

( Grau)

2-Conceptos de Solidificación, solidificación de una fase simple, solidificación del eutéctico, estructuras de colada.( Gregorutti)

3-Fundiciones de Hierro( Gris, Esferoidal, Vermicular) Generalidades.

(Gregorutti)

4-Obtención de las fundiciones de hierro:

4.a: Horno Cubilote (Miquelarena)

4.b: Horno Eléctrico (Sarutti)

5-Centrifugación (Miquelarena)

6-Fundiciones Blancas (Grau)

7-Aceros Moldeados (Sarutti)

Modelo:

Reproducción en positivo de la pieza que deseo construir

Se diferencia de la pieza por tener

Portadas para noyos

Salida

Radio de encuentro redondeados

Contracción del metal a fundir

Creces de mecanizado

Puntos de referencia para el mecanizado

La elección del tipo de modelo va a depender :

De la cantidad de piezas a fabricar

Del proceso de moldeo a utilizar

( en frío ó en caliente)

Tipos de Modelos:

En Madera

Metal ( Aluminio, Latón, Fundición Gris)

EPS

Resina ( Plástico)

Cera

Prototipeado rápido ( Estereolitografía)

A su vez pueden estar

Sueltos

Emplacados

EPS

EPS

Estereolitografía (prototipos rápidos)

Se usa una resina foto curable en base epoxi de baja viscosidad (165-195 cp a 30ºC).

Se utiliza un láser de Helio-Cadmio con una longitud de onda de 325 nm

Etapas de la fabricación del prototipo:

1-Se diseña el modelo en CAD, preferentemente usando programas en 3D

2-Se construye el objeto por SL

3-El objeto se verifica geométricamente y dimensionalmente

4- Si existen errores , se corrige el diseño en el CAD

Impulsor realizado por SL y luego fundido en cera perdida

Matrices realizadas por SL

LOM (Laminated Objet Manufaturing )

Sinterización selectiva

Método de moldeo: Manual

Automático

Moldeo Automático por choque de aire

Plano del modelo

El plano del modelo incluye:

Dimensión ± Creces + Contracción de la

Nominal mecanizado aleación

Tabla de creces de mecanizado y tolerancias para moldeo manual

Tabla de tolerancia para moldeo en máquina

Contracción del metal

Los metales al pasar de un estado a otro varía su volumen, por ello se debe tener en cuenta la contracción del metal.

El valor de la contracción varía para cada metal y

se puede separar en tres etapas:

Contracción líquida (El metal disminuye su volumen a medida que baja la temperatura)

Contracción de solidificación (El metal pasa de un líquido de alta viscosidad a un sólido)

Contracción en estado sólido ( El metal se sigue enfriando desdela temperatura de sólidus hasta la temperatura ambiente)

Metal Puro

Aleación

Fundición de hierro

Contracción en estado sólido

∆L =α ∆T

Siendo α: Coeficiente de dilatación lineal

Arenas y tierras de moldeo

Propiedades de las arenas y tierras de moldeoPlasticidad: Para que al compactarla tome la forma del modelo

Consistencia: Para mantener la forma que adquirieron al moldearla

Resistencia: Para aguantar al manipuleo, los noyos y la presión metalostática

Permeabilidad: Para que permita el escape del aire y de los gases generados en la colada

Refractariedad: Para evitar la sinterización de la arena, debido al que la temperaturas de colada supera al punto de fusión de las arenas silíceas ( se mejora con pinturas o cambio del tipo de arena)

Procesos de moldeo

A-Molde permanente:

Coquilla

Fundición a presión Caja fría

Caja caliente

Fundición centrifugada

B- Molde perecedero

Arenas

Tierras

Cerámico Cera Perdida ( investment Casting)

Shaw

Tierras de moldeo

Naturales

Sintéticas

Arcillas de moldeo :

Para aglomerar las tierras sintéticas se utilizan arcillas minerales cuyo mayor constituyente es el silicato de aluminio

hidratado (montmorillonita)

Bentonita Caoilnes

Arenas de moldeo:

A) Caja Fría

B) Caja caliente

C) Arenas con cemento

D) Arenas con silicato de sodio

A-Caja fría:

Alkydica

Furánica

Fenólica uretánica

Fenólica ester

Tea

Resina alkydica

Parte A (resina propiamente dicha)

De 1 al 5 % del peso de la arena

Parte B ( Octoatos de cobalto y plomo)

Hasta el 8% del peso de la resina

Parte C ( polimerizante)

20 % del peso de la resina

Furánica

Componentes: Resina

Catalizador

Se la utiliza para moldes y noyos, posee mejor colapsabilidad que la alkydica y mejor resistencia en caliente

Resina......................................2% peso arena

Catalizador ............................20% peso de la resina

Vida de banco.........................7 minutos

Fenólica uretánica

Consta de 2 resinas y un catalizador

Permite vida de banco de 3 a 16 minutos

Tiempo de desmoldeo de 4 a 20 minutos

Se puede fundir a la hora de haberse fabricado

Usos: moldes y noyos

Tipo de mezcladora: continua

En el proceso “pep-set” el curado no depende del aire y no produce agua como sub producto del fraguado

Resina 11.................0,5 a 0,6 % del peso de la arena

Resina 22..................0,5 a 0,6 % del peso de la arena

Catalizador...................8 % del peso de la resina 11

En las mezcladoras continuas se adiciona primero la resina 11( con el catalizador) y a una distancia la resina 22

Fenólica caja fría ( fenotec)

Es una resina fenólica que es polimerizada por un Ester orgánico a temperatura ambiente.

Propiedades

•No posee nitrógeno

•Puede colarse 2 o 3 horas después de hecho el molde

•Produce muy bajo nivel de gases

•Posee poca distorsión en verde ya que polimeriza rápidamente

•Buena resistencia en caliente

•Buena terminación superficial

•Vida de banco variable de acuerdo al catalizador

•Puede usarse en mezcladoras continuas o convencionales

Resina ...............................1 a 2% del peso de la arena

Catalizador....................................20 al 30 % del peso de la resina

Vida de almacenamiento aproximada 3 meses

TEA ( cold box)

El proceso TEA, caja fría, consta de dos resinas y un catalizador, siendo este ultimo un compuesto amoniacal adicionándose entre 3,5 al 4,5% del

peso de la resina. Es uno de los primeros procesos desarrollados.

Proceso:

Se mezcla la arena con las resinas y se coloca la mezcla en una caja de noyo y se coloca dentro de una cámara donde se sopla el catalizador, el

vapor del catalizador pasa a través del noyo y se produce la polimerización casi instantáneamente.

Un exceso de polimerizador no produce ningún efecto

Los noyos recién curados poseen la máxima resistencia mecánica

Contra:

Se debe tener precaución con el catalizador ,

ya que produce irritación en los ojos, piel,

sistema respiratorio

Los gases se deben tratar antes de tirarlos a la atmósfera

B-Fenólica caja caliente

La resina fenólica caja caliente ( shell moulding, moldeo croning)

Utiliza una resina del tipo nova laca fenol formaldehído en solución alcohólica que en presencia de un catalizador se produce su

endurecimiento por medio del calor.

Se utiliza una resina en polvo ( en base a fenol, formol, ácido oxálico y hexametileno)siendo el ácido oxálico el catalizador y el hexametileno un retardador ya que se hace pasar la mezcla por rodillos calientes y antes

de que reaccione o fragüe se la enfría.

Una vez mezclada con la arena ( se llama arena prerevestida) se vierte sobre una placa modelo a 200- 250ºC y el hexametileno proveer el

formol necesario para completar la reacción

Resina....................3 al 5 % del peso de la arena

Catalizador....................15 al 20% del peso de la resina

Proceso

Se vierte la arena sobre la placa modelo (por medio de soplado o volteo) caliente a 200ºC, se la deja un cierto

tiempo que depende del espesor del molde cáscara o del noyo. Se extrae el molde.

La arena que no estuvo en contacto con la placa se puede re utilizar

Comparación de la resistencia a la tracción para caja caliente y fría con 1,5 % de resina

Idem anterior con 2 % de resina

Efecto de la humedad( 50 % )en la resistencia mecánica

Efecto del 90 % de humedad en la resistencia mecánica

Efecto de la evolución gaseosa en varios tipos de resina a 980ºC, aglutinados con un 2 % de resina

C-Arenas con cemento

Se las utiliza para moldes grandes y las partes externas del mismo, las que no van a estar en

contacto con el metal,

Ventajas:

Bajo costo

Alta rigidez

Desventaja:

Baja permeabilidad

Tiempo de secado

D-Arenas con silicato de sodio

Es unos de los primeros métodos de moldeo

Se mezcla la arena con silicato de sodio y luego se le hace pasar una corriente de Co2.

Una vez fraguado se lo debe calcinar, ya que la reacción es reversible con la humedad.

Se debe controlar el módulo ( relación entre el SiO2 / ONa

Ventaja:

Velocidad de fragüe

Sin toxicidad

Desventaja:

No posee colapsabilidad, por lo que debe usarse para moldes

externos

Una variante es usar diasetina para que fragüe. Esta variante posee

colapsabilidad

Control a las arenas y tierras de moldeo

A- Granulometría

B- Contenido de Humedad

C- Permeabilidad

D- Ensayos mecánicos

E- Refractariedad

A- GranulometríaSe mide el tamaño del grano de arena ya seco, haciéndolo pasar a

través de una serie de tamices estandarizados según AFS

Con ello sacamos el número de finura ( 50 – 55 AFS)

El porcentaje de cada medida de grano de una arena determinada incide sobre los factores:

Terminación Superficial

Permeabilidad

Resistencia

B-Contenido de humedad

Es importante el control en las tierras de moldeo ya que está directamente relacionado con las propiedades de los moldes

Una tierra muy seca es difícil de moldear y generalmente da baja resistencia mecánica.

Una tierra muy húmeda produce defectos superficiales como sopladuras. Deformaciones del molde y baja resistencia a la

compresión en verde.

C- PermeabilidadEs la propiedad que poseen los noyos o los moldes que permiten el

paso de un gas a través de ellos

Se evalúa el índice de permeabilidad

tsphVI..

.= V= Volumen de aire que atraviesa la

muestra.

h= Altura de la muestra

P= Presión manométrica

S= sección

t= tiempo

Preparación de la probeta

La dimensión de la probeta es de 2 pulgadas x 2 pulgadas

D- Ensayos Mecánicos

Dureza

Resistencia al corte

Resistencia a la flexión

Resistencia a la compresión

Resistencia a la tracción

DurezaSe aplica a los moldes con tierras de moldeo

y da una una rápida idea de su resistencia para soportar la presión y erosión del metal

fundido

Resistencia al corteSe utiliza la misma probeta para permeabilidad

Resistencia a la compresión en verde

Se utiliza la misma probeta , pero las mordazas del equipo son plana

Resistencia a la flexiónSe lo utiliza para las arenas con resina

determinándose la flexión en tres puntos

Nos da información de la relación arena / resina

33

.236..alf

alF

WMtRf ===

Resistencia a la tracciónSe lo utiliza principalmente para arenas con resina ( se lo puede utilizar para tierras de moldeo)y es un complemento de la flexión

E – RefractariedadLa Refractariedad es la propiedad de una arena de resistir las altas temperaturas del metal líquido sin

fundirse ni ablandarse.

Se usa una cinta de platino que se apoya sobre la probeta, la cinta está conectada a a un variador de

tensión para producir el calentamiento de la misma y se mide la temperatura a la cual el material se pega

Se mejora la Refractariedad con pinturas o cambio de material base ( sílice )

Zircón (ZrO2SiO2) con 67 % de óxido de Zirconio

Temperatura de fusión: 2550 ºC

Densidad :4,7

Cromita(FeO.Cr2O3) Con 68 % de Cr2O3: Temperatura de fusión :2180ºC

Densidad de 4 a 4,6

Olivinas ( Mg2SiO4) con con un 80% de ortosilicato de magnesio y hierro

Temperatura de Fusión: 1800ºC

Densidad : 3,25 a 4

Defectos debido al moldeDartas

Arrastre de arena (vencida)

Sinterización

Piezas incompletas

Gases ocluidos

Noyos flotados o rotos

Piezas fisuradas ( noyos no colapsables)

Sopladuras ( floculo de resina)

Piezas desfasadas

Sistema de alimentación

Todo aquel material que no forma parte de la pieza pero que

es necesario para que la pieza sea apta para el servicio

Sus partes:Basín

Bajada

Corrida

Ataques

Montantes

Escape de gases

Filtros cerámicos

Trampas de escoria

BasínConvencionales

Basín balsa

BajadaGeneralmente es cilíndrica, pero si consideramos que el metal es un

líquido viscoso ( cumple la LEY de Continuidad) y que cuando ingresa al molde cae libremente y aumenta su velocidad.

A1V1=A2V2

La conificación ideal de la bajada se obtiene de la combinación de la ley de Torricelli y la ley de continuidad

xx ghV 2= Y Vh.Ah= Vx.Ax

xhDD hx

4=

Corrida (canal distribuidor)

De acuerdo a que si el sistema es presurizado o no presurizado, varía la forma del canal

Sistema presurizado

Relación 3:2:1

Vena contraída

El efecto de la vena contraída :En la zona

superior ( U), la velocidad es menor y por lo tanto tenemos

mayor presión que en la zona inferior, lo cual

trae aparejado el ingreso de aire, oxidación del metal y formación de

escoria

Se soluciona adicionándole una bocha en el final del canal de bajada

AtaquesEl ataque es el nexo( la unión) entre el canal de alimentación y la pieza o

entre el montante y la pieza, generalmente controla la velocidad de llenado

De acuerdo al espesor de pared de la pieza tenemos ( para

fundición), una temperatura recomendada de colada

De acuerdo a la temperatura de colada obtenemos el espesor mínimo de ataque

Área de control

Si la pieza está completamente en la caja inferior

A

HV

gtAc .

2.1

1 =

Donde t= tiempo

V= volumen

Si la pieza está completamente en la caja superior

( )332 5,1.2.1

bHH

Vbgt

Ac−−

=

Si la pieza está dividida entre dos cajas

( )

−−+=

333 5,1

.2.1

bHH

VbHV

gtA cDc

Montantes

El montante es un reservorio de metal líquido, cuya

función es la de eliminar, compensar ó mover de

lugar la contracción líquida y la de solidificación (

rechupe) cuando un metal solidifica y enfría a

temperatura ambiente, siendo estas dos de las tres contracciones que sufre el

metal al enfriar

Diseño óptimo del montante:

Un buen diseño de montante

debe de proveer metal líquido en:

La cantidad correcta

El lugar correcto

El tiempo correcto

Ubicación de los montantes:

Para determinar la correcta ubicación de los montantes, se debe usar el concepto de solidificacisolidificacióón direccionaln direccional , evitando la formación de rechupes, donde la solidificación debe ir de la parte más alejada del montante, hacia el interior del montante

La contracción en la solidificación es alimentada por el metal líquido del montante.

La solidificación direccional depende de:

La aleación y su modo de solidificación.

El tipo de molde (metálico, arena)

El diseño de la pieza

Modo de solidificación

Metal puro Intervalo S/L corto

Intervalo largo Intervalo intermedio

Diseño de la pieza

Solidificación direccional

Distribución de temperatura cerca del final de la solidificación

Material acero al carbono

Longitudes máximas de placas de acero que pueden fundirse sin rechupe central

Material: acero al carbono

0,25/0,3%C; 0,05/0,1% Mn

0,35/0,5% Si

En el ejemplo se ilustra como se minimizan la cantidad de montantes, aumentando su radio de acción por

medio de enfriadores .Si el enfriador se coloca entre montantes, se

establece un efecto borde que no existe naturalmente

Tipos de Montantes:

Convencionales

.

Tipos de montantes convencionales

Montantes Exotérmicos

Las camisas, montantes y cubrientes se los clasifica según sus propiedades térmicas en:

Exotérmicos

Aislantes

Exotérmicos - aislantes

Montantes exotérmicosSe basan en la región de oxidación del aluminio para producir calor. Estos montantes son de relativamente alta densidad, poseyendo la matriz propiedades térmicas similares a las de la arena del molde ( esto es antes que la reacción exotérmica comience). Estos montantes exhiben un efecto chill inicial sobre la pared del montante, dando luego una fuerte reacción exotérmica que funde cualquier metal que halla solidificado..

Se basan el la reacción de reducción:

3 Fe3O4 + 2Al Al2O3 + 9Fe + 795 Kcal

Aislantes: Los montantes aislantes son realizados con materiales refractarios que poseen baja densidad, estos montantes tienen un efecto chillmuy bajo, debido a que lo aísla del medio ( molde). Como en el caso anterior, estos montantes se usan en tamaños chicos e intermedios y en aleaciones que tengan baja temperatura de colado..

No es recomendado para grandes montantes, debido a que los materiales de baja densidad se degradan térmicamente

cuando se los exponen a presión y temperatura alta por un largo período de

tiempo

Exotérmicos – aislantes

Consiste en un material exotérmico rodeado de un material aislante, siendo el más versátil de los tres ya que da un bajo chill inicial, una extensa reacción exotérmica y una buena aislación luego que la reacción exotérmica concluyó.Dichos material se los usa para la fabricación de montantes en todos los tamaños

Grafico comparativo de los tres

Cálculo del montante

A- Método del factor de forma ( Caine)

B-Método del módulo

C-Métodos computacionales

A-Factor de Forma

De acuerdo al diámetro

Ejemplo de aplicación del método del factor de forma

B- Método del móduloSe basa en el concepto de que el tiempo de enfriamiento de la pieza ó

sección puede ser aproximada usando la regla de CHVORINOV

22 2 2

2

Vct K K McAc

= =

donde t es el tiempo de enfriamientoVc es el volumen de la piezaAc es el área de la piezaK es una constante gobernada por el metal y las propiedades del molde

Este concepto fue desarrollado por Wlodawer para calcular en forma práctica los montantes, eliminando la necesidad del cálculo del tiempo de solidificación. Si simplificamos la ecuación anterior tenemos:

Mc=Vc/Acy a esta relación del volumen sobre el área de enfriamiento se lo denomina módulo.

Para aceros M m= 1,2 Mp

Para fundiciones grises Mm = 0,8 Mp

Wlodawer simplificó el método del módulo, demostrando que la mayoría de las piezas se pueden reducir a formas geométricas simples, donde el Mp se puede calcular fácilmente sin necesidad de cálculos elaborados, elaborando una carta de cálculo para las diferentes formas de montantes

C- Métodos computacionales

Son programas que simulan la solidificación ( por medio de elementos finitos) y predicen la eficiencia de los montantes. Estos programas calculan la transferencia de calor en el sistema pieza / montante.. Podemos mencionar entre ellos a “ AFSOLID 3D, NOVA CAST, MAGMA, ANSYS, etc.

Filtros cerámicos

Defectos debido al sistema de alimentación

Escoria

Inclusiones (endógenas)

Rechupes

Gases ocluidos

Líneas de flujo