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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS 
EXTRACTIVAS
 DEPARTAMENTO DE INGENIERIA EN METALURGIA Y MATERIALES
INNOVACIONES A UN SISTEMA DE COLADA PARA UNA 
ALEACIÓN DE RANGO CORTO 
TESIS 
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: 
INGENIERO EN METALURGIA Y MATERIALES
 PRESENTA: 
ALEJANDRO SANCHEZ GARCIA 
ASESOR DE TESIS
DR. DANIEL MARÍN GÓMEZ
 CIUDAD DE MÉXICO JUNIO 2019 
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AGRADECIMIENTOS 
 
A dios principalmente por permitirme sonreír todos los días y mostrarme el 
camino hacia la superación de la vida 
 
A mis padres por haberme apoyado en cada etapa de mi vida que sin su 
apoyo no hubiera logrado los éxitos que he tenido en mi vida 
 
A mis hermanos por brindarme su apoyo incondicional en cada momento 
 
Al Instituto Politécnico Nacional por haberme brindado todo el conocimiento 
profesional adquirido, por enseñarme valores para vivir la vida y hacerme 
poder aplicar el lema “La técnica al servicio de la patria” 
 
 
A mis amigos y profesores de la carrera por haberme acompañado en esta 
etapa de mi vida. 
 
Y en general a todas aquellas personas que me ayudaron a poder finalizar mi 
carrera profesional que su ayuda fue un gran apoyo para mí. 
 
 
 
Este trabajo es realidad gracias a ustedes 
 
Alejandro Sánchez García 
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Índice 
 Pagina 
Lista de figuras. 4 
 
Lista de tablas. 6 
 
Objetivos. 7 
 
Resumen. 8 
 
Introducción. 9 
 
I. Consideraciones teóricas. 12 
 
1.1 Sistema de colada. 12 
 1.1.1 Concepto de colada. 13 
1.2 Partes que constituyen un sistema de colada. 15 
1.3 Diseño de un sistema de colada. 16 
1.4 Elementos de los que constan los sistemas de distribución. 18 
1.5 Tipos de un sistema de colada. 23 
 1.5.1 Sistemas de llenado por gravedad. 24 
 1.5.1.1 Llenado directo. 24 
 1.5.1.2 Llenado por línea de partición de molde. 25 
 1.5.1.3 Llenado por la parte inferior de la cavidad del molde. 27 
1.6 Principios básicos que rigen el sistema de colada. 29 
 1.6.1 Efectos de aspiración. 29 
 1.6.2 Ley de continuidad. 31 
 1.6.3 Efectos del momento. 32 
 1.6.4 Fluidez del metal. 33 
1.7 Pérdidas por fricción. 34 
1.8 Número de Reynolds. 35 
1.9 Tiempo de llenado. 36 
1.10 Velocidad de colada. 38 
1.11 Sistema de alimentación. 40 
1.12 Solidificación de metales. 42 
 1.12.1 Metales puros. 42 
 1.12.2 Aleaciones. 43 
1.13 Rango de solidificación. 47 
1.14 Bronce al aluminio. 50 
 
II. Desarrollo experimental. 52 
 
2.1 Cálculo y diseño del sistema alimentación. 53 
2.2 Cálculo y diseño del sistema de colada. 56 
 2.2.1 Diseño del bebedero. 63 
2.3 Proceso de moldeo. 66 
2.4 Preparación del metal. 70 
2.5 Proceso de vaciado. 72 
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3 
 
 
III. Resultado y su discusión. 73 
 
Conclusiones. 78 
 
Bibliografía. 80 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Lista de figuras 
N° de 
figura Descripción Pagina 
 
1. Elementos del sistema de colada 15 
2. Diseño taza de coladas. 18 
3. Diseño de la noria de colada. 20 
4. Elementos del sistema de distribución. 22 
 
5. Sistema de colada directa con filtro 246. Llenado por la línea de partición del molde 25 
7. Llenado por la parte inferior de la cavidad del molde. 28 
 
8. Cambios bruscos de dirección del flujo, con esquinas sin radios, 
 que generan baja presión y aire atrapado. Incremento del área 32 
 transversal del canal, B. Cambio en la dirección del canal y C. 
 decremento del área transversal del canal. 
 
9. Solidificación de metales puros. 43 
10. Ilustración esquemática de la solidificación de una aleación y de 
 la distribución de la temperatura en el metal en solidificación. 44 
 
11. Ilustración esquemática de 3 tipos básicos de estructuras 
 Fundidas. 46 
 
12. Esquema de tres estructuras de metales fundidos y solidificados 
 en un molde cuadrado con su respectivo periodo de solidificación. 47 
 
13. Diagrama de fase de la aleación bronce al aluminio. 51 
 
14. Diagrama de bloques del proceso del desarrollo experimental. 52 
 
15. Diseño del bebedero de optimización. 63 
 
16. Diseño del bebedero de referencia. 64 
 
17. Esquema general del proceso de moldeo y fundición. 66 
 
18. Modelo de la pieza a producir. 67 
 
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5 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
19. Vista superior de las cajas de moldeo de los dos perfiles de 
 Bebedero. 68 
 
20. Vista desde el interior del molde con el sistema de colada y 
 alimentación del perfil parabólico de bebedero. 68 
 
21. Cajas de moldeo terminadas. 69 
22. Horno de crisol con material fundiendo. 71 
23. Crisol con el metal líquido fundido en el proceso de colada. 72 
24. Molde con el metal líquido vertido de la colada. 72 
25. Vista superior de los moldes con la aleación en el proceso 
 de solidificación. 72 
 
26. Pieza obtenida mediante el perfil parabólico, vista lateral 
 derecha. 73 
 
27. Pieza obtenida mediante el perfil parabólico, vista lateral 
 izquierda. 74 
 
28. Pieza obtenida mediante el perfil parabólico, vista inferior. 74 
29. Pieza obtenida mediante el perfil parabólico, vista superior. 75 
30. Pieza obtenida mediante el perfil cónico, vista lateral derecha. 75 
31. Pieza obtenida mediante el perfil cónico, vista lateral izquierda. 76 
32. Pieza obtenida mediante el perfil cónico, vista superior. 76 
33. Pieza obtenida mediante el perfil cónico, vista inferior. 77 
 
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Lista de tablas 
 
 
 
 
 
 
 
 
N° de 
figura Descripción Pagina 
 
1. Coeficiente para calcular el tiempo de llenado en 37 
 función del espesor. 
 
2. Coeficiente para calcular el tiempo de llenado en 37 
 función de la masa. 
3. Coeficientes para calcular el tiempo de llenado para 37 
 otras aleaciones.. 
 
4. Coeficiente de fricción de acuerdo al recorrido. 39 
 
5. Factor de distancia para diferentes metales o 
 aleaciones. 54 
 
6. Valores de las constantes A, m y n de la ecuación de 57 
 Mikhailov. 
 
 
 
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Objetivos 
 
• Optimización de la ingeniería del sistema de colada para una aleación de 
periodo corto mediante el uso de un bebedero de geometría parabólica. 
• Estudio de la correcta implementación en el diseño del elemento de 
compensación para una aleación de periodo corto de solidificación. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Resumen 
Se llevó a cabo un estudio comparativo entre dos sistemas de colada para la 
obtención de una pieza compuesta de una aleación de rango corto (bronce al 
aluminio). En la primera prueba, que sirvió de referencia, se fábrico un sistema de 
colada convencional con un bebedero de geometría cónica con la colocación de 
una noria en el sistema. Para la segunda prueba se diseñó y fábrico una 
propuesta de un sistema de colada la cual consistió en hacer un bebedero de 
geometría parabólica eliminando la noria del sistema. 
Conjuntamente se efectúo un correcto diseño de un sistema de alimentación para 
su implementación en ambos sistemas de colada para la fabricación de la pieza. 
Lo anterior para evaluar la optimización de la ingeniería del sistema de colada 
tradicional en el área de fundición y producción de piezas de aleación de rango 
corto (bronce al aluminio), por medio del análisis de parámetros como la velocidad 
crítica del metal, el ahorro de material en el proceso, control de flujo de masa, y 
prevención de defectos metalúrgicos en la pieza. 
Se logró producir un sistema de colada óptimo para la realización de piezas de 
bronce al aluminio empleando la propuesta del sistema con el bebedero de 
geometría parabólica fabricado de poliestireno expandido; Con el sistema se 
controló la velocidad critica del metal en la entrada por debajo de 50 cm/s 
eliminando así el flujo turbulento en la pieza y se obtuvo una pieza de bronce al 
aluminio completa, de acuerdo a las características deseadas, no presento 
solidificación prematura, estuvo libre de defectos metalúrgicos así como exento derechupes gracias a la acción del sistema de alimentación. 
Con este trabajo se estudiaron los principios convencionales de la hidrodinámica 
de fundición mediante el estudio de los principios de la ingeniería de colada a 
través del diseño de un modelo novedoso de bebedero para mejorar el control del 
flujo de masa fundida. 
Aquí se presentó un nuevo enfoque en la oportunidad de mejorar la calidad de las 
piezas de bronce al aluminio en el proceso de colada en el área de fundición, de la 
industria metalúrgica. 
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Introducción 
La tecnología de fundición de piezas es uno de los procesos más antiguos y 
explotados por el hombre; es un proceso en el cual se hace fluir metal fundido 
dentro la cavidad de un molde a través de sistemas de colada y alimentación, 
donde solidifica y adquiere la forma del molde; se remonta a 6 mil años atrás y son 
muchos los factores y variables que se deben considerar para lograr una fundición 
exitosa. 
Este proceso se puede realizar en varias etapas, donde unas de las más críticas 
es el vaciado y colado, así como la solidificación de las piezas. 
Las piezas finales en fundición presentan varios defectos, como son: rechupes, 
porosidades, incrustaciones de óxidos en metales sensitivos principalmente en 
aluminio y variaciones en la composición química. Debido a estos defectos se 
hace necesario repetir aun varias veces algunas piezas, aumentando los costos y 
rechazos representados en mano de obra, en el consumo de materias primas, 
metálicas (cobre, aluminio, manganeso, etc.) y de materiales de fabricación: 
arena, bentonita, desoxidantes, desgasificadores, etc.; igualmente se aumenta el 
tiempo involucrado en el proceso, con demoras en el tiempo de entrega. 
Se sabe que las aleaciones solidifican en un intervalo de tiempo, las aleaciones 
con un periodo de solidificación corto apresuran más rápido su solidificación y por 
lo tanto cuando son manejados estos materiales en fundición es difícil controlar 
ese estado ya que cuando el metal empieza a recorrer el sistema de distribución 
en la colada este casi solidifica antes de que termine de llegar el metal hacia la 
cavidad del modelo de la pieza a producir. 
Por esta razón en la producción de bronce convencional su sistema de coladas 
utilizado no es suficiente para poder contrarrestar esta situación ya que el sistema 
tradicional compuesto de un bebedero en forma cónica con un pozo en su parte 
inferior (noria) permite una fluidez interrumpida en las entradas produciendo una 
agitación en el flujo de masa fundida. Por ello es importante un nuevo enfoque 
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hacia los puntos clave y factores críticos en el área de fundición y modelado 
dentro de industria metalúrgica 
Entre los diferentes componentes de un sistema de colada el bebedero es un 
componente clave y la parte más importante para el control de flujo de masa 
fundida del material además en un factor clave para el control de la velocidad del 
metal desde su entrada en el molde hacia la llegada por la cavidad del modelo de 
la pieza, así como el responsable de la prevención de erosión en el molde y 
pérdida de masa en la entrada. 
Durante el proceso de llenado, la caída de líquido actúa como un chorro de agua, 
aumentado la velocidad conforme la altura del bebedero, lo que hace que el metal 
no controle su tránsito sobre este, si el bebedero no se llena por completo dejando 
huecos libres de metal lleva a la absorción de gases. Por ello un diseño ideal 
debería usar toda la longitud del bebedero para controlar el caudal. [2] 
Durante el recorrido del metal líquido en el proceso de colada generalmente pierde 
fluidez y tiempo por la colocación de la noria la cual es útil para evitar el problema 
de golpe de ariete, pero no elimina el inconveniente. Por lo que la forma del 
bebedero que no limite su sección transversal en el fondo para no interferir con el 
flujo y le dé al líquido un camino más corto y sin interrupciones en su fluidez 
además de suave durante la bajada permite que se controle de una manera 
adecuada la velocidad de flujo de metal. 
El estudio presentado de optimización para la ingeniería del sistema de colada de 
bronce al aluminio parte del hecho del querer eficientar la calidad de las piezas en 
el modo de fabricación, dado que en la industria de la fundición y fabricación que 
trabajan con este tipo de materiales, no se han generado nuevos enfoques o 
aportes para la mejora de los resultados del proceso tradicional. 
El bronce al aluminio al ser un material difícil de controlar causando problemas 
técnicos y económicos en su producción exige nuevos planteamientos teóricos 
sobre su modo de fabricación. 
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Al existir información obsoleta para este tipo de aleaciones en comparación con 
las novedosas investigaciones que se han venido presentando para otras 
industrias como la siderurgia ha hecho que para obtener una pieza sana sea por 
medio de experimentación, realizando ensayos de prueba y error y empleando 
cálculos empíricos hasta llegar a una conclusión lo más posible acertada para la 
calidad de proceso y su resultado final. Debido a esto el estudio busca mejorar 
esta problemática y demostrar que se tiene el potencial de mejorar 
significativamente el rendimiento metalúrgico de las piezas de fundición en arena 
que se compongan de una aleación de las que más difícil control representa 
dentro de la industria metalúrgica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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I. Consideraciones teóricas 
 
1.1 Sistema de colada 
Los sistemas de colada son dispositivos necesarios para conducir el metal líquido 
a la cavidad del molde 
Los sistemas de colada básicamente se componen por estos seis elementos 
(Copa de colada, bebedero, ahogador (choke), noria, corredor principal, ataques o 
entradas, filtros), los cuales en conjunto permiten ejercer las siguientes funciones 
en el proceso de colada: 
• Llevar el metal líquido al molde para llenar su cavidad 
• Regular la velocidad de entrada del metal a la cavidad del molde, con flujo 
laminar para evitar la erosión y atrapamiento de gases 
• Conducir los gases al exterior 
• Establecer los mejores gradientes de temperatura 
 
Requerimientos de un sistema de colada: 
1.- Llenado tranquilo para evitar la tendencia a atrapar gases, la oxidación del 
metal y la presencia de flujos turbulentos. 
2.- Facilitar el atrapamiento y desalojo de escoria e impurezas. 
Controlar velocidades de llenado de tal forma que no provoquen la erosión del 
molde. 
3.- Tener las suficientes dimensiones para llenar la cavidad del molde, sin un 
tamaño excesivo para obtener un mejor rendimiento (yield). 
4.- Promover gradientes de temperatura para inducir la solidificación direccional 
hacia los alimentadores. [1] 
 
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1.1.1 Concepto de colada 
 
El proceso consiste en la introducción del metal fundido en un molde para su 
posterior solidificación y obtención de la forma final deseada. 
Por lo general, los procesos de fundición nos permiten tener cierta flexibilidad a la 
hora de obtener distintas geometrías para las piezas, pudiendo obtener formas 
irregulares e incluso cavidades interiores.De hecho, mediante fundición se 
pueden obtener formas y tamaños que, mediante otros procesos de fabricación, 
serían totalmente inalcanzables. 
Existen distintas tecnologías en los procesos de fundición de metales cada una de 
ellas con sus propias características, ventajas y desventajas, pero todas ellas 
englobadas en aspectos y conocimientos que conciernen temas como la 
transferencia de calor, de flujo y los procesos de solidificación. 
En el proceso de solidificación, no todo el metal solidifica al mismo tiempo, sino 
que se van formando pequeños núcleos de cristalización conforme se va 
extrayendo calor del metal fundido de manera que los átomos pierden energía y se 
van uniendo en torno a estos núcleos de cristalización o dendritas. 
El metal en contacto con las paredes del molde solidificará más rápidamente 
debido a que la formación de los núcleos de cristalización tiene lugar antes en los 
puntos más fríos. Así, con el tiempo, los cristales que han ido solidificando estarán 
en contacto unos con otros, por lo que la única dirección de crecimiento que 
podrán experimentar será hacia el centro. 
Es en este punto donde cobra importancia el tiempo de solidificación del metal 
cómo es un factor fundamental para el diseño de los sistemas de distribución ya 
que, un menor tiempo para la solidificación provocará la formación de más núcleos 
de cristalización, la formación de más granos y de menor tamaño. [2] 
 
 
 
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Factores que afectan la colada: 
1) Temperatura de colada (sobrecalentamiento) 
• Sobrecalentamientos altos y bajos 
2) Velocidad de colada 
• Colada lenta (Solidificación del metal) 
• Colada rápida (flujo turbulento) 
3) Condiciones de turbulencia 
• Provoca la formación de óxidos 
• Erosión del molde 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1.2 Partes que constituyen un sistema de colada 
 
El sistema de distribución o colada es aquel formado por conductos que dirigen el 
metal fundido hasta la cavidad del molde para llenarlo. La geometría de estos 
sistemas dependerá fundamentalmente de la forma en la que se deba realizar el 
llenado del molde, siendo el llenado por gravedad, el más común utilizado en la 
industria y está formado por un cazo superior donde se vierte el metal fundido, un 
bebedero con forma cónica situado verticalmente donde el metal fluye desde la 
copa de colada hasta la base inferior del bebedero, ahogador (choke), la noria y el 
corredor principal que lo distribuye a los ataques o portadas de la pieza a colar. 
En la Fig. 1 se representa el esquema de un sistema de distribución habitualmente 
utilizado para el llenado de moldes por gravedad. [3] 
 
 
 
Figura 1. Elementos del sistema de colada. [3] 
 
 
 
 
Canal de ataque 
Mazarota 
 Pieza 
 Copa de colada 
Bebedero 
Noria de colada 
Canal de colada 
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1.3 Diseño de un sistema de colada 
 
Un buen diseño de colada requiere de tres pasos fundamentales, localización, 
diseño y tamaño, que siempre siguen los principios físicos del flujo libre de un 
líquido. Por lo que el uso de las reglas y ecuaciones que dictan los teoremas y 
leyes físicas que se describieron en el punto anterior son básicas para iniciar el 
cálculo geométrico de la colada. 
En general una buena colada: 
1) Reduce la turbulencia del metal fundido. 
2) Elimina los gases y el aire atrapados. 
3) Disminuye la rapidez del líquido. 
4) Previene la solidificación prematura. 
5) Desarrolla gradientes térmicos apropiados. 
El diseño del sistema de colada debe realizarse de acuerdo a varias 
consideraciones. 
• Del modelo. Se debe alimentar por la parte más gruesa del modelo para 
garantizar la solidificación dirigida. Además, para modelos pequeños, puede 
alimentarse por un solo punto siempre que sea posible. Por ello, dada la 
geometría de la pieza se puede considerar un sistema de colada con un 
solo ataque con tres posibilidades de localización de acuerdo a tres zonas 
de geometría planas encontradas en la vertical de la pieza. 
• De morfología. Debe diseñarse de forma que el material de fundición no 
sea en ningún caso perpendicular a partes del molde. Esto se salva 
diseñando un sistema de colada cuyos ataques se dispongan en los 
extremos de la pieza. 
• De dimensionado. Los canales deben ser los más cortos posible para evitar 
enfriamientos prematuros. En este sentido se tomará la consideración de 
distancia mínima entre canal de colada y el ataque de 30 mm con una 
sobre longitud del canal de colada tras el ataque de 50 mm para evitar 
turbulencias extremas como un dimensionamiento esencial por el cambio 
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de dirección entre canal de colada y ataque, además de servir para 
acumular los posibles residuos. 
• De posicionamiento. Los canales de colada deben alejarse de las zonas 
calientes y de las paredes de la caja de moldeo. En el posicionado se ven 
involucradas, por tanto, las dimensiones de la caja de moldeo y las 
distancias mínimas entre los sistemas y las paredes de la caja, así como la 
facilidad de moldeo y desmoldeo. Para fundiciones pequeñas se 
recomienda que la distancia mínima entre la pieza y sistemas de 
alimentación con las paredes del molde supere en cualquier caso los 30 
mm. [4] 
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1.4 Elementos de los que constan los sistemas de distribución 
Los distintos elementos de las que consta un sistema de distribución o coladas 
son: 
Copa de colada 
La copa de colada se localiza en la parte superior del bebedero para estabilizar la 
entrada del flujo de metal fundido en el sistema de colada. Existen varias 
geometrías de diseño de la copa de colada, siendo la más común una forma 
cónica por su facilidad de implementación la geometría la determina el fundidor 
según le sea conveniente para la colada. Sin embargo, este diseño presenta la 
desventaja de poco control de la velocidad del flujo al ser complejo mantener un 
nivel constante de llenado generando esto posibilidad de turbulencias en el 
bebedero. Sin embargo, para fundiciones pequeñas, como es el caso en estudio, 
la taza cónica se comporta tolerablemente bien. Por ello, es aconsejable para 
estas fundiciones, reducir el tiempo de fabricación por su simpleza y economía. En 
el diseño de la copa de colada cónica se tiene en cuenta la altura fija de la caja de 
moldeo, lo que limita tanto las dimensiones del bebedero como las de la copa. Se 
observa en la fig. 2, los parámetros esenciales de las que se compone la misma 
para su diseño siendo Dpc el diámetro inferior del cono de la copa de colada, Dsc 
el diámetro superior de la copa de colada, Dbs el diámetro superior del bebedero y 
H la altura de ella. 
 
 
 
 
 
 
Figura 2. Diseño de la copa de colada 
 2.5Dsc 
Dpc= Dbs 
 H 
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Bebedero. 
El bebedero es la zona vertical del sistema de colada, el cual dota al metal fluido 
de la energía potencial y cinética necesaria para ocupar la cavidad del molde. Por 
tanto, es una de las partes más importantes en el estudio del sistema de 
distribución pues debe ser meticulosamentediseñada y calculada para que esté 
ocupada en su totalidad por el metal fundido y no introduzca gas en el interior del 
molde. Suele estar acompañada en su base superior por una copa de colada la 
cual facilita el correcto flujo del metal fundido, dotando de un caudal uniforme al 
bebedero de modo que no se produzcan turbulencias en la trayectoria del metal a 
través de su masa. Debe dotar al fluido de la velocidad necesaria en su punto 
inferior para que este sea capaz de llenar la cavidad del molde, para ello se diseña 
para que su área disminuya a medida que el metal líquido descienda. Esto genera 
un caudal continuo, un aumento de la velocidad y de la presión, por ende. Esta ha 
de ajustarse a las limitaciones de velocidades del fluido. En este sentido es muy 
importante el correcto dimensionado de la sección base del bebedero. 
Básicamente el bebedero se diseña de forma que imite la conicidad de la caída de 
la corriente de forma natural como resultado de la gravedad. Esto se muestra 
como una hipérbola, de ello se denota la compleja interacción entre la base del 
bebedero y el propio bebedero. Para fundiciones pequeñas, el gap entre la mitad 
del bebedero y la curva hiperbólica de caída del flujo se corrige simplemente 
haciendo la entrada del bebedero alrededor del veinte por ciento mayor en área. 
Estos efectos fueron estudiados para acero usando radiografía en tiempo real 
(Sirrell et al. 1995) para optimizar la conicidad midiendo el tiempo de llenado del 
bebedero y la velocidad de salida. 
El estudio dimensional del bebedero se realiza partiendo de la teoría de Bernoulli 
sobre los fluidos en un tubo de corriente, junto con la consideración aproximada de 
la nulidad de velocidad superficial en la base superior de la taza de colada. 
Debe cumplir las siguientes condiciones: 
1) Lograr un llenado correcto del molde. 
2) Facilitar el que la colada se haga a bebedero lleno. 
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3) Evitar erosiones, interrupciones y choques. 
Noria de colada. 
La noria de colada es la parte de unión entre el fondo del bebedero (choke) y el 
corredor de colada siendo el fondo del bebedero la sección llamada ahogador 
(choke). 
Debe asegurar una transición suave del flujo de metal fundido, pues es el que 
recibe al metal líquido con mayor velocidad en su descenso desde el bebedero y 
lo debe redireccionar horizontalmente hacia el corredor principal. Uno de los 
diseños más usados por su efectividad y simpleza es de forma cilíndrica con un 
área cinco veces superior al área del ahogador (choke) y altura dos veces superior 
a la altura del corredor principal., tal y como se puede ver en la fig. 3. Esta 
optimización fue confirmada por Isawa en 1993, en su estudio en el que se 
buscaba eliminar la generación de burbujas de gas y oxidación exponencial en 
función del tiempo. [5] 
 
Figura 3. Diseño de la noria de colada 
 
 
Área inferior del bebedero A1 
Área de la noria de colada A2 
Profundidad del canal de colada d1 
Profundidad de la noria de colada d2 
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Canal de colada y ataque 
Los canales de colada (ataques) son los encargados de distribuir horizontalmente 
el metal fundido hasta la cavidad del molde. El canal de ataque es el conducto 
final del sistema de colada y es el que se conecta directamente con la cavidad del 
molde, siendo así el que sirve de suministrador directo del material fundido. El 
corredor principal es el canal que sirve de unión entre la noria y los ataques, y 
tiene como función servir de enlace entre ambos, ya que debe existir una distancia 
mínima entre zonas calientes de gran acumulación de metal fundido como son el 
bebedero, la pieza y la mazarota. Además, el final de este canal sirve como 
retención de escorias posibles que se acumulen debido a la orientación de este 
con el ataque. Normalmente estos canales son horizontales por simpleza en la 
implementación, aunque existe la posibilidad de canales verticales o con cierto 
grado de inclinación. Generalmente se localizan en la línea de partición para 
moldes en cajas bipartidas facilitando la generación del modelo y su extracción. El 
número de canales de colada y ataques depende de las dimensiones de la pieza a 
colar. Para piezas simples y de poco volumen en los que existan caras rectas y de 
fácil acceso, se puede alimentar con solo un canal de cada tipo. Estos canales se 
diseñan lo más cortos posibles para evitar enfriamientos prematuros del metal, 
pero con la suficiente longitud para permitir una suficiente distancia a la caja de 
moldeo y zonas calientes. 
Básicamente se diseña el llenado de modo tal que el metal fundido llegue al fondo 
del bebedero con la suficiente presión y velocidad, se distribuya por el canal de 
colada el cual lo conduce hasta el canal de colada, cambiando de dirección para 
acabar finalmente ocupando la cavidad del molde. Tras la unión entre el canal de 
colada y el ataque se suele dejar una prolongación del canal de colada, con el fin 
de conducir a este las posibles escorias a lo largo del recorrido del metal por el 
bebedero y canal de colada. Además, relaja el cambio de dirección del flujo 
evitando turbulencias. [5] 
 
IPN-ESIQIE SISTEMA DE COLADA 
22 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4. Elementos del sistema de distribución de la colada 
 
 
 
 
Cavidad del vertido 
Bebedero 
Base del 
bebedero Canal de colada 
Puerta de 
entrada 
Cavidad del molde 
IPN-ESIQIE SISTEMA DE COLADA 
23 
 
1.5 Tipos de sistema de colada 
Los sistemas de distribución o coladas normalmente se les clasifica como 
presurizadas (vertical) o no presurizadas (horizontal), la diferencia es la 
localización del área mínima de restricción o “choke”. 
En un sistema presurizado, el “choke” se encuentra localizado en las entradas del 
metal a la pieza; en un sistema no presurizado, se encuentra al final de la caída 
del bebedero, en contacto con la noria. 
Una regla fundamental del diseño de una colada indica que; el reducir la velocidad 
permite que en el sistema los óxidos y otras inclusiones no metálicas floten y se 
mantengan alejadas del frente del metal. Las altas velocidades tienden a mantener 
los óxidos dentro del flujo del metal y puede causar la formación de nuevos óxidos 
si se llega a romper la capa de óxido formada en la superficie. 
Una colada no presurizada es recomendada para el llenado de piezas de aluminio 
por la alta sensibilidad de estas aleaciones a formar óxidos y atrapar otros 
contaminantes. El “choke” localizado al final del bebedero, regula el flujo, causa 
que el bebedero se termine de llenar rápidamente y al mismo tiempo se eliminan 
las posibilidades de alojamiento de aire antes del “choke”. De esta forma se 
reduce la velocidad del metal en el sistema. El incrementar el área del canal 
permite que la velocidad se reduzca más y las inclusiones presentes floten y 
permanezcan en la parte superior del canal. 
El área total de los ataques es típicamente de 2 a 4 veces mayor que la del 
“choke’’. Esta relación hace que el sistema no presurizado sea muy útil en la 
reducción de la reoxidación de aleaciones de aluminio. 
El sistema presurizado no se recomienda para aquellos materiales muy sensibles 
como el aluminio, por las altas velocidades que se obtienen, lo cual provoca 
reoxidación del material y erosión en los moldes. [6] 
 
 
IPN-ESIQIESISTEMA DE COLADA 
24 
 
1.5.1 Sistemas de llenado por gravedad 
1.5.1.1 Llenado directo 
La forma más simple para llenar un molde es vertiendo el metal fundido en el 
molde sin utilizar ningún sistema de distribución. Este método solo se puede usar 
para moldes de pequeñas dimensiones o para moldes con una alta resistencia al 
impacto ya que el metal incide directamente en la parte inferior del molde lo que 
provoca un esfuerzo constante en dicha zona. Se utiliza este método cuando no 
se requieren buenas tolerancias ni calidad de la pieza, sino que el único objetivo 
del método es reducir costos o producir en masa, dado que este sistema favorece 
enormemente fenómenos negativos para la pieza como el atrapamiento del aire 
que pueden provocar la oxidación del metal. Por lo tanto, tampoco se utilizarán 
materiales con gran sensibilidad (con cierta facilidad para oxidarse) como el 
aluminio. En la figura 5 se observa un esquema de un sistema de llenado directo 
con filtro que permite un flujo de metal más rápido y constante. [6] 
 
 
Figura 5. Sistema de colada directa con filtro. [6] 
 
 
 
 
IPN-ESIQIE SISTEMA DE COLADA 
25 
 
1.5.1.2 Llenado por la línea de partición del molde 
En estos sistemas, se dispone el molde por debajo de la línea de partición situada 
en la dirección longitudinal del canal de colada como se presenta en la Fig. 6. Por 
lo que, El ataque a la pieza quedará situado en la parte superior de éste de forma 
que se aconseja un material para el molde que soporte unas condiciones 
agresivas dado que el metal caerá continuamente desde una altura provocando la 
erosión y el choque continuo contra la pared inferior del molde. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 6. Llenado por la línea de partición del molde. 
 
 
Rebosadero 
Metal líquido 
Cavidad 
del molde 
Parte 
superior 
Parte 
inferior Línea de 
partición 
 Y 
hy Ap, área de la 
puerta de 
entrada 
P Vp 
IPN-ESIQIE SISTEMA DE COLADA 
26 
 
Podemos conocer la velocidad del metal en la sección de entrada, vp, mediante la 
expresión: 
 Vp= (√2ghp) [1] 
 
Dónde: hp es la altura de metal por encima de la entrada, de manera que, si V es 
el volumen de la cavidad del molde, el valor del área de la sección de la puerta de 
entrada, Ap, para llenar la cavidad del molde será: 
 Ap= V / √(2g ∗ tf) ∗ hp [2] 
 
Siendo tf, el tiempo de llenado del molde. 
 
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27 
 
1.5.1.3 Llenado por la parte inferior de la cavidad del molde 
En el llenado del molde por la línea de partición, si la altura es excesivamente 
grande, el impacto del metal contra la parte inferior del molde podría provocar la 
erosión del molde, así como el fenómeno de atrapamiento de aire. Para evitar 
estos efectos, se puede llenar el molde desde la parte inferior de éste, tal y como 
se presenta en la Fig. 7. 
Con este sistema de colada el metal entra por el fondo del molde ya allí llena 
todas sus cavidades. Este tipo de coladas reduce a un mínimo la turbulencia y la 
erosión en el molde, pero pueden causar gradientes de temperaturas 
desfavorables cuando se usan mazarotas superiores. La región más baja de un 
molde colada por el fondo se calienta con el metal que fluye por él, y se retarda la 
solidificación a estos lugares. Debe tenerse especial cuidado en asegurar que el 
foco o punto caliente potencial en la portada sea mínimo, o de lo contrario 
resultara con rechupe. El sobrecalentamiento de la arena en un solo lugar puede 
reducirse usando un número de ataques separados 
El problema que puede ocurrir en estos casos es que la zona caliente se 
encuentra en la parte inferior del molde por lo que, si existen gradientes térmicos 
elevados, las mazarotas no serán capaces de compensar correctamente la 
contracción del metal al solidificar, pudiendo provocar la aparición de rechupes. En 
estos casos se utilizan mazarotas situadas en los laterales en lugar de situarlas en 
la parte superior del molde. [6] 
 
 
 
 
 
 
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28 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 7. Llenado por la parte inferior de la cavidad del molde. 
 
 
Mediante un análisis matemático más detallado, se puede encontrar que la 
velocidad en las puertas de entrada del metal fundido será: 
 
 = [3] 
Por lo tanto, la velocidad, no será constante. Debido a ello, existen métodos como 
el propuesto por el (“British Non-Ferrous Metals Technology Centre” (BNF), 2006) 
para calcular Ap (Área de las puertas de entrada) donde la velocidad promedio del 
metal fundido en la sección de la puerta de entrada no debe sobrepasar un 
determinado valor límite, vlím, que es el que se obtendría cuando las fuerzas de 
inercia igualan a las de tensión superficial. 
Rebosadero 
Metal líquido 
Ap, área de la 
puerta de 
entrada 
vP 
 Y 
hy 
P 
Vp 
Cavidad del 
molde 
Ap * (√2gh2) – gt 
Y- hc 
Y- hc 
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29 
 
1.6 Principios básicos que rigen el sistema de colada 
1.6.1 Efectos de aspiración 
El paso más crítico al formar una pieza es el de pasar el material líquido del crisol 
al interior del molde. Las piezas que resultan defectuosas se definen 
principalmente en los primeros segundos de iniciado el vaciado. 
El sistema de canales o conductos por los que llega el metal al molde se le conoce 
como sistema de distribución o colada. Su diseño es crucial, quizá tanto como la 
figura del producto final a formar con el molde. 
El teorema de Bernoulli sirve para caracterizar el comportamiento del metal líquido 
(fluido) durante el llenado del molde a través del sistema de colada (balance de 
energía). [1]. El flujo de un líquido dentro del molde se caracteriza por bastantes 
factores los cuales pueden ser expresados en términos del teorema de Bernoulli, 
el cual afirma que la suma de la energía potencial, la energía cinética, la energía 
de presurización y la energía perdida por la fricción de un líquido fluyendo es una 
constante. 
 mH + mPv + (m ) + mF = C [4] 
Dónde: 
m = masa total del líquido fluyendo, kg 
H = altura de caída del líquido, m 
P = presión, N/m2 
 = volumen específico del líquido, m3/kg 
g = aceleración debido a la gravedad, m2/s 
V = velocidad, m/s 
F = pérdidas de energía por fricción, m 
C = constante, kg·m. 
 
Lo que se puede resumir como fenómeno físico desde que inicia el vaciado hasta 
que termina es lo siguiente: Al iniciar el vaciado la energía potencial es máxima, 
pero rápidamente se va transformando en energía cinética y energía de presión 
por estar contenido el metal en un conducto o canal al que se ha llamado sistema 
de alimentación. 
V2 
2g 
IPN-ESIQIE SISTEMA DE COLADA 
30 
 
Después de que se ha generado ya un flujo constante, la altura potencial y las 
pérdidas por fricciónson relativamente constantes. Y al mismo tiempo, mientras la 
velocidad es alta, la presión es baja y viceversa. 
Además, de las pérdidas por fricción también existen pérdidas por la transferencia 
de calor, lo cual lleva a la solidificación del metal, pero esto no se contempla en 
este teorema. [3] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
IPN-ESIQIE SISTEMA DE COLADA 
31 
 
1.6.2 Ley de continuidad 
Se refiere a un balance de masa que existe dentro del sistema de colada. El flujo 
de metal en el sistema de colada es el mismo en cualquier punto de dicho sistema, 
matemáticamente se expresa así: 
 Q = A1*V1 = A2*V2 [5] 
Dónde: 
 
Q = flujo volumétrico, m3/s 
A1 = área en el punto 1 
V1 = velocidad en el punto 1 
A2 = área en el punto 2, 
V2 = velocidad en el punto 2 
 
Ahora considerando el caso cuando se inicia el vaciado del metal desde cierta 
altura, básicamente esta caída se rige por la transformación de la energía 
potencial en cinética. 
La velocidad de la caída de un cuerpo libre se obtiene de la siguiente manera: 
 V = √2 ∗ g ∗ H [6] 
Al utilizar la ecuación anterior, combinada con la Ley de continuidad, se llega a la 
conclusión que el metal líquido al experimentar la caída libre va acelerándose en 
su caída y obteniendo una velocidad mayor conforme se aproxima a la base del 
bebedero. Al mismo tiempo se observa el fenómeno de la reducción paulatina de 
área, desde la parte más alta sin velocidad hasta la más baja y con la máxima 
velocidad. De tal forma que el bebedero en esta parte debe de tener una forma 
cónica con un cierto ángulo mayor al teóricamente necesario para poder conducir 
el metal en su caída sin que aspire aire. Así, si se diseña esta parte del sistema de 
alimentación con una conicidad mayor a la requerida, se presuriza el sistema y no 
permite que el aire se aspire en esta parte del sistema. [3] 
 
 
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32 
 
1.6.3 Efectos del momento 
Iniciada la transformación de la energía potencial en cinética, el metal líquido se 
comporta y se rige por las leyes naturales de movimiento. La primera Ley de 
Newton indica que el fluido se moverá en una cierta dirección hasta que no haya 
algo que le impida seguir en dicho cause. 
Existen diferentes casos donde se observa el efecto de un cambio de dirección al 
estar en movimiento el fluido en un canal. 
Se tiene por ejemplo el caso aquel en el que, al hacer una reducción súbita de las 
áreas del canal, se provoca, por la ley de continuidad, el aumento o disminución 
de la velocidad. Al mismo tiempo el flujo trata de apegarse al centro de canal, ver 
la fig. 8, en una nueva dirección lo cual provoca que se generen puntos ciegos o 
con ausencia de líquido y por lo tanto ocupado por aire o gases generados en el 
molde. 
El aire o los gases presentes en el canal detrás del frente de metal dañan el 
aluminio líquido y al final del llenado pueden permanecer presentes en la pieza 
como defectos de burbuja de aire o ser responsables de una mayor oxidación del 
metal y por lo tanto de defectos como los óxidos generados al vaciar. [7] 
 
 
Figura 8. Cambios bruscos de dirección del flujo, con esquinas sin radios, que generan baja 
presión y aire atrapado. A) Incremento del área transversal del canal, B) Cambio en la 
dirección del canal y C) Decremento del área transversal del canal. (7) 
 
 A B C 
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33 
 
1.6.4 Fluidez del metal 
La fluidez es la habilidad del metal líquido para continuar penetrando mientras que 
pierde temperatura y aún más cuando empieza a solidificar. Se considera inverso 
a la viscosidad, es una característica intrínseca y muy importante del proceso de 
fundición 
La fluidez máxima en un metal utilizado en el proceso de vaciado, Lf, se define 
como la máxima distancia en la cual el metal penetrara en un molde estándar 
antes de solidificar. Este término descrito aquí, es distinto al de la fluidez normal 
estudiada en la física clásica, donde la fluidez es el inverso de la viscosidad. Aquí 
la fluidez ha sido medida como la longitud máxima que el metal fluye en un canal 
horizontal largo. La relación directa entre la fluidez y el tiempo de solidificación, tf, 
significa que cualquier valor que incremente t, incrementa la fluidez. Así, por 
ejemplo, aumentando la temperatura del molde o la temperatura del aluminio al 
vaciarlo beneficiará tanto uno como el otro a la fluidez. El uso de un aislante 
térmico en el molde y aún más en el sistema de alimentación aumenta la fluidez 
del metal en 2 o 3 veces. Otra variable que afecta la fluidez directamente es la 
velocidad del metal líquido. El fabricar piezas de aluminio cada vez más complejas 
y con paredes más delgadas, ha llevado a aumentar la velocidad de llenado. Esto 
ha provocado muchos problemas severos como resultado de la turbulencia 
superficial generada. El llenado caótico, arbitrario y al azar ha sido improductivo. 
Es claramente esencial el llenar el molde sin turbulencia superficial para la 
mayoría de las aleaciones. No hay ningún sustituto para un buen sistema de 
colada el cual de un avance controlado del frente del metal líquido. [6] 
Factores que afectan la fluidez 
• Temperatura de colada (sobrecalentamiento) 
• Composición del metal 
• Formación de películas superficiales de óxidos 
• Tensión superficial 
 
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34 
 
1.7 Pérdidas por fricción 
Durante el movimiento del metal dentro del sistema de colada se experimenta la 
pérdida de velocidad por la fricción que se genera en las paredes o al existir 
cambios de sección. Al estar en movimiento el metal líquido dentro de la colada 
está sujeto a la acción de las fuerzas de fricción, las cuales causan que la 
velocidad se reduzca. Algunas de las áreas donde los efectos de las fuerzas de 
fricción son importantes son: 
 
1) Pérdida de velocidad en la entrada del bebedero. 
2) Pérdida de velocidad debido a la fricción en las paredes del bebedero. 
3) Pérdida de velocidad debido al cambio de dirección entre el bebedero y el 
canal principal. 
4) Pérdida de velocidad debido a la fricción de las paredes del canal principal. 
5) Pérdida de velocidad debido a los cambios de dirección en las entradas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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35 
 
1.8 Número de Reynolds 
El número de Reynolds, Re, es un valor adimensional que permite clasificar el tipo 
de flujo que se experimenta durante el llenado. 
Se calcula de la siguiente forma: 
 Re =
v∗𝑑
𝑣
 [7] 
Dónde: 
V: es la velocidad, 
D: es el diámetro del canal 
: es la viscosidad cinemática 
 
Existen valores experimentales de Re que permiten clasificar o nombrar un flujo 
según el valor de Re que se le calcula. Debajo de un valor de Re = 2,000 el fluido 
es considerado laminar o tranquilo 
Valores mayores de Re = 2,000 indican que el flujo es turbulento. Aun teniendo un 
flujo turbulento, pero con un valor de Re < 20,000 nos permite trabajar con el 
mismo, puesto que la capa de óxido que siempre estápresente en el flujo del 
metal líquido no se rompe y no provoca que este óxido represente un defecto 
potencial en la pieza. 
Con valores de Re > 20,000 se tiene una condición turbulenta muy dañina. [3] 
 
 
 
 
 
 
 
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36 
 
1.9 Tiempo de llenado 
Es el dato fundamental que sirve de base para determinar las dimensiones de los 
distintos conductos del sistema de distribución. El tiempo óptimo de llenado de 
una pieza depende: 
• De la fluidez del metal 
• De los gradientes térmicos 
• Del peso de la pieza 
• De su forma 
 
Para que no se originen defectos en las piezas, se debe tener en cuenta lo 
siguiente: 
1. Debe ser lo suficientemente rápido para que el molde esté lleno de metal 
líquido, antes de que haya comenzado la solidificación en cualquiera de sus 
partes. 
2. Debe ser lo suficientemente rápido para que el calor radiante del metal líquido 
no origine defectos superficiales debidos a la dilatación de la arena. 
 
Influyen en este tiempo la temperatura de la olla, la fluidez del metal, las 
características del molde y la disposición de las cavidades del molde. 
Lo que se busca es llenar el molde lo más rápido posible, considerando el nivel de 
turbulencia que puede ocasionarse y los esfuerzos cortantes en el molde y la 
reacción molde – metal. Cuando en la superficie interior del molde existe una gran 
zona plana para llenar, se debe buscar la forma de un llenado rápido a fin de 
minimizar el efecto radiante del metal que va ascendiendo y que de no ser así 
tendremos problemas de costras y caídas de arena. 
En la práctica el tiempo óptimo se determina con una relación general del tipo: 
 toptimo = AMn [8] 
 t = (seg) 
 M = (Kg) 
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37 
 
A y n son coeficientes adimensionales característicos para cada fundición en 
función del espesor o la masa. [6] 
 
A N Aleación Espesor crítico (mm) 
1.63 
1.85 
2.0 
 
0.5 
 
Acero 
2.5 – 3.5 
3.5 – 8.0 
8.0 – 15.0 
 
 
Tabla 1. Coeficiente para calcular el tiempo de llenado en función del espesor. [6] 
 
En función de la masa 
 
A N Aleación Masa (Kg) 
0.80 
0.54 
0.5 
0.5 
Acero 
Aluminio 
45 
4500 
 
Tabla 2. Coeficiente para calcular el tiempo de llenado en función de la masa. [6] 
 
Para otras aleaciones: 
 
A N Aleación Observación 
3.7 0.38 Fundiciones Molde de arena 
2.4 0.387 Aluminio Molde de arena 
0.06 0.717 Aluminio Molde metálico 
 
Tabla 3. Coeficientes para calcular el tiempo de llenado para otras aleaciones. [6] 
 
 
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38 
 
1.10 Velocidad de colada 
Utilizando la ecuación de Bernoulli de la conservación de flujo, el cual sirve para 
caracterizar el comportamiento de flujo del metal líquido durante el llenado del 
molde a través del sistema, se tiene: 
 
 wH + w + wPv + wF = K [9] 
 
El cual involucre cuarto términos: 
wH = Energía potencial (de posición) 
wV2 / 2g = Energía cinética (de velocidad) 
wPv = Energía de presión 
wF= Energía de fricción 
 
Dónde: 
w= Peso total del fluido que está en movimiento 
H = Altura de la caída del líquido 
P = Presión estática en el líquido 
v = Volumen específico del líquido 
g = Aceleración de la gravedad 
V = Velocidad 
F = Perdidas por fricción 
K = Constante 
 
Ahora dividendo la ecuación entre “w” y considerando el flujo como caída 
libre entre dos puntos entonces: 
 
H1+V12/2g+P1 = H2+V22/2g+F2 
En el punto P1 = 1 atm, V1 = 0 y H1 = H (altura) 
En el punto P2 = 1atm, V2 = V y H2 = 0, así como despreciando la fricción F = 0 
Entonces la ecuación de Bernoulli se reduce a: 
 
 H1 = 
V2 
2g 
V2 2 
2g 
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39 
 
Por lo tanto: 
 V = √2𝑔𝐻 
El cuál es la ecuación de caída libre para el flujo metálico en el descenso del 
sistema de colada 
Dónde: 
H= Altura metalostática del canal de descenso 
g = Gravedad 
V= Velocidad crítica de metal en su descenso 
 
Considerando el coeficiente de fricción o pérdida de velocidad: 
 V=μ√2𝑔𝐻 [10] 
H= Altura del canal de descenso 
μ= Coeficiente de perdida de velocidad 
g = gravedad 
 
 
Y calculados por el coeficiente de fricción. 
 
Tipo de canal Diámetro hidráulico Coeficiente de fricción 
Descenso circular D= Diámetro 0.02 
Colada principal 
cuadrado 
D= Lado A= Lado B 0.06 
Entrada rectangular D=2*A*B/(A+B) 0.07 
 
 
Tabla 4. Coeficiente de fricción de acuerdo al recorrido 
 
 
 
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40 
 
1.11 Sistema de alimentación 
El sistema de alimentación es el encargado de proveer el metal líquido necesario 
al molde de la pieza para evitar la contracción o rechupe de la fundición, que 
básicamente se compone de una pieza conocida como mazarota, alimentador o 
cabeza. Su utilización tiene como finalidad prevenir no solo las cavidades o 
rechupes debido a la contracción del metal durante la solidificación sino también 
evitar diseños con exceso de metal y altos costos de limpieza. 
Las mazarotas son reservorios de metal líquido conectados a una pieza que 
proveen de metal adicional para alimentarla durante el proceso de su 
solidificación, a consecuencia del requerimiento de los fenómenos de rechupe y de 
contracción en el líquido; por lo tanto, cualquier método cuantitativo a ser usado 
para el dimensionado de la alimentación de piezas vaciadas con intenciones de 
controlar su sanidad, se debe fundamentar en dos criterios de naturaleza 
metalúrgica los cuales son: 
La magnitud de la contracción de solidificación, es decir, del rechupe y de 
la contracción en el estado líquido, magnitudes que dependen de la composición 
del metal o aleación; de la temperatura de vaciado; y de la rigidez del molde. Los 
efectos de cada uno de estos parámetros son los siguientes: 
2 Como el efecto de la contracción en el estado líquido depende de la intensidad 
de intercambio calórico, cuando la intensidad de enfriamiento es baja no se 
producen dificultades particulares en los cálculos del rechupe. El cambio 
volumétrico que sucede en el estado líquido cuando la pieza se está enfriando, ΔVL, se 
determina a partir de la ecuación: 
 ΔVL = γL* VM * ΔTL [11] 
Donde 
γL = Es la contracción volumétrica del metal líquido, ºC-1 
VM = Es el volumen de la cavidad del molde, cm3 
ΔTL= Es el sobrecalentamiento, (Tm –TL), ºC. 
 
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41 
 
Si el enfriamiento es muy intenso, la contracción del metal líquido juega un rol muy 
importante en la solidificación; bajo estas condiciones,tan pronto como se ha 
extraído el calor de sobrecalentamiento, se forma una capa sólida sobre la 
superficie del molde. Esta capa inicia la armadura de la pieza, y la posterior 
reducción del volumen de metal líquido conduce al aumento de las cavidades de 
rechupe. 
3 Durante el cambio de estado de agregación, es decir durante la 
solidificación, el cambio volumétrico o rechupe conduce a la formación de 
cavidades en el interior de la pieza. Al existir solidificación progresiva en dicha 
pieza, es decir que la relación [(ΔTs/ΔTL) << 1] donde ΔTs es el cambio de temperatura 
en sólido y ΔTL es el cambio de temperatura en líquido, indica que el espesor de la capa 
solidificada progresa desde la superficie de extracción de calor hacia el eje 
central de la sección y el líquido que la rodea se contrae a medida que 
desciende la temperatura. Si el enfriamiento es intenso, la relación 
[(ΔTs/ΔTL)>>1], define dicha condición, lo que conduce a que la temperatura 
prácticamente decaiga a la misma velocidad en todos los puntos de la pieza. 
En la zona pastosa, es decir a temperaturas menores a la temperatura del 
liquidus de la aleación, se forman dendritas a través de todo el volumen de la 
pieza, para formar una red de cristales o celdas que crecen de manera 
individual donde su propia contracción por rechupe conduce a porosidad 
distribuida en toda la pieza. Los cambios volumétricos producidos durante la 
transformación líquido-sólido a la temperatura de solidificación o por debajo de 
ella, conducen a la generación de esfuerzos de fase que pueden conducir a 
desgarramiento en caliente. 
 
 
 
 
 
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42 
 
1.12 Solidificación de metales 
La mayoría de los materiales metálicos pasa por la transformación líquida a sólida 
antes de obtener su forma final los cual define las características micro y macro-
estructurales. 
Después de que un metal fundido es vaciado en el molde ocurren una serie de 
eventos durante la solidificación de la fundición y su enfriamiento hasta la 
temperatura ambiente. Estos eventos influencian de manera importante el tamaño, 
forma, uniformidad y composición química de los granos formados en toda la 
fundición, lo que a su vez tiene influencia sobre sus propiedades generales. Los 
factores de significación que afectan a esos eventos son el tipo de metal, las 
propiedades térmicas tanto del metal como del molde, la relación geométrica entre 
el volumen y área superficial de la fundición, y la forma del molde. 
1.12.1 Metales puros 
Debido a que un metal puro tiene un punto de fusión (o de solidificación) 
claramente definido, se solidifica a una temperatura constante, como se muestra 
en la figura 9. Por ejemplo, el aluminio puro se solidifica a 660 °C (1220 °F), el 
hierro a 1537 °C (2798 °F) y el tungsteno a 3410 °C (6170 °F). Luego que la 
temperatura del metal fundido desciende a su punto de solidificación, permanece 
constante mientras se disipa su calor latente de fusión. El frente de solidificación 
(interfaz sólido- líquido) se mueve a través del metal fundido de las paredes del 
molde hacia el centro. El metal solidificado, llamado fundición, se saca del molde y 
se enfría a la temperatura ambiente. En las paredes del molde, que se encuentran 
a la temperatura ambiente, o al menos mucho más frías que el metal fundido, el 
metal se enfría con rapidez y produce una capa superficial solidificada, o cáscara, 
de finos granos equiaxiales. Éstos crecen en dirección opuesta a la de la 
transferencia de calor a través del molde; los que tienen una orientación favorable 
crecen de manera preferencial y se les llama granos columnares. Conforme la 
fuerza impulsora de la transferencia de calor se reduce, alejándose de las 
paredes, los granos se vuelven equiaxiales y gruesos; los que tienen orientaciones 
sustancialmente diferentes ven bloqueado su crecimiento posterior. 
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43 
 
 
 
Figura 9. Solidificación de metales puros. A) Temperatura como función del tiempo 
de solidificación de los metales puros. B) Densidad, como función del tiempo. [8] 
 
1.12.2 Aleaciones 
En las aleaciones la solidificación se inicia cuando la temperatura se reduce por 
debajo de la temperatura liquidus TL, y es completa cuando alcanza la temperatura 
solidus, Ts, figura (10). 
Dentro de este rango de temperatura, la aleación está en estado blando o pastoso 
con dendritas columnares. Las dendritas tienen brazos y ramas tridimensionales 
(brazos secundarios) que al final se interconectan. El estudio de las estructuras 
dendríticas, aunque, complejo es importante porque esta estructura contribuye a 
factores negativos como variaciones en la composición, segregación, y 
microporosidad. El ancho de la zona blanda, donde esta presentes 
simultáneamente las fases liquida y sólida, es un factor importante durante la 
solidificación. Esta zona se describe en función de la diferencia de temperaturas, y 
es conocida como rango de solidificación, como sigue: 
 Rango de solidificación = TL-TS 
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Se puede ver en la fig. (10), que los metales puros tienen un rango o periodo de 
solidificación que se acerca a cero, y que el frente de solidificación se mueve 
como un frente plano, sin formar una zona, blanda. Los eutécticos solidifican de 
una forma similar un frente aproximadamente plano. Este tipo de estructura de 
solidificación desarrollada depende de la composición del eutéctico. 
 
 
Figura 10. Ilustración esquemática de la solidificación de una aleación y de la 
distribución de la temperatura en el metal en solidificando. [8] 
 
En aleaciones con un diagrama de fases casi simétrico, la estructura es 
generalmente laminar, con dos o más fases solidas presentes, dependiendo del 
sistema de aleación. Cuando la fracción volumétrica de la fase menor de la 
aleación inferior a aproximadamente a 25% la estructura general se hace fibrosa. 
En estas condiciones son particularmente importantes para los hierros fundidos. 
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Para las aleaciones, aunque no es exacto por lo general un periodo de 
solidificación corto, involucra una diferencia de temperatura de menos de 50°C 
(90°F), y un rango de solidificación largo a más de 110°C (200°F). Las fundiciones 
de hierro, por lo general, tienen zonas blandas angostas, en tanto que las 
aleaciones de aluminio y magnesio tienen zonas blandas anchas. En 
consecuencia, estas aleaciones se conservan en un estado blando a lo largo de la 
mayor parte del proceso de solidificación. 
Efecto de las velocidades de enfriamiento: Bajas velocidades de enfriamiento (del 
orden de (102 K/S) o tiempos de solidificación local largos dan como resultado 
estructuras dendríticas gruesas con grandes espaciamientos entre los brazos 
dendríticos. A velocidades más rápidas de enfriamiento del orden de (104K/S) o 
tiempos de solidificación local cortos, la estructura se hace más fina con un menor 
espaciamiento entre brazos dendríticos. Para velocidades de enfriamiento aún 
más elevadas del orden de (106 a 108 K/S) las estructuras desarrolladas son 
amorfas. 
Las estructuras desarrolladas y el tamaño de grano resultante influencian las 
propiedades mecánicas de la fundición. Conforme se reduce el tamaño de grano, 
se incrementa la resistencia y la ductilidad de la aleación fundida, se reduce la 
micro-porosidad (huecos de contracción interdendrítica) en la fundicióny 
disminuye la tendencia de la pieza fundida a agrietarse (desgarramiento en 
caliente durante la solidificación. 
La falta de uniformidad en el tamaño y en la distribución del grano da como 
resultado fundiciones con propiedades anisotrópicas. Un criterio que describe la 
cinética de la interfaz líquido – sólido es la relación G/R, donde G es el gradiente 
térmico y R es la rapidez a la cual se mueve la interfaz líquido – solido. 
 Valores típicos para G van de 102 a 103K/m y para R de 10-3 a 10-4m/s. Las 
estructuras de tipo dendrítico, (Figs. 11ª y 11b) típicamente tienen una relación R 
en el rango 105 a 107, en tanto que las relaciones de 1010 a 1012 producen una 
interfaz líquido – sólido de frente plano no dendrítico. [8] 
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Figura 11. Ilustración esquemática de tres tipos básicos de estructuras fundidas. [8] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Dendrítica 
columnar 
Dendrítica 
equidimensional 
No dendrítica 
equiaxial 
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1.13 Rango de solidificación 
El periodo de solidificación de una aleación se refiere a la temperatura en que 
solidifica la aleación en función del tiempo en que tarda en llegar la 
microestructura del estado líquido al sólido 
Hay 3 grupos: 
1. Aleaciones de periodo corto (intervalo de solidificación menores a 50º C) 
2. Aleaciones de periodo intermedio (rango de solidificación de 50 a 110 º C) 
3. Aleaciones de periodo largo de solidificación (intervalos de solidificación 
mayores a 110 º C) 
 
 
Figura 12. Esquema de tres estructuras de metales fundidos solidificados en un 
molde cuadrado, con su respectivo periodo de solidificación. [8] 
 
 
 
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Rango de solidificación dependerá de: 
• Composición química de la aleación 
• Forma de la pieza 
• Temperatura de colada 
• Rapidez de extracción de calor (Molde y calor) 
• Tratamiento de refinación de grano 
• Grado de segregación 
El rango se determina como una función de la diferencia de temperatura entre la 
línea de liquidus a solidus en el diagrama de fases de las aleaciones 
1.- Las aleaciones que solidifican a temperatura constante o con un intervalo 
pequeño se llaman de rango corto o periodo de solidificación corto (Short pattern 
solidification), se asocian rechupes principales y estructuras de grano columnar. 
Incluyen 
• Aleaciones de las series: UNS No. C81100-cobre, Cr-Cu(C81500) 
• Latones amarillos: (C85200, C85400, C85700, C85800, C87900) 
• Bronces al Mn: (C86200, C86300, C86400, C86500, C86700, C86800) 
• Bronces al Al: (C95200, C95300, C95400, C95410, C95500, C95600, 
C95700, C95800) 
• Bronces al Ni: (C97300, C97600, C97800) 
• Latones blancos: (C99700, C99750) 
2.- Las aleaciones que solidifican en un intervalo largo se llaman: de periodo de 
solidificación largo (large pattern solidification) y se asocian rechupes dispersos y 
presentan estructuras de grano equiaxial. 
Incluyen: 
• Latones rojos al Pb: (C83450, C83600, C83800) 
• Latones semi rojos al Pb: (C8400, C84800) 
• Bronces al Sn: (C90300, C90500, C90700, C91100, C91300) 
• Bronces al Pb-Sn: (C92200, C92300, C92600, C92700) 
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3.- Rango de solidificación intermedio: presentan una combinación de grano 
columnar y equiaxial, algo de rechupe principal y también zonas pastosas 
dispersas. 
Incluyen: 
• Latones rojos al Pb: (C83450, C83600, C83800) 
• Latones semi rojos al Pb: (C8400, C84800) 
• Bronces al Sn: (C90300, C90500, C90700, C91100, C91300) 
• Bronces al Pb-Sn: (C92200, C92300, C92600, C92700) 
• Bronces al alto Pb-Sn: (C92900, C93200, C93400, C93500, C93700, 
C93800, C94300). 
 
 
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1.14 Bronce al aluminio 
El bronce al aluminio o cuproaluminio es una aleación entre el cobre y aluminio en 
la cual el aluminio predomina como aleante principal, la aleación cobre- aluminio 
también pueden contener otros aleantes como lo son el hierro, níquel, manganeso, 
pero en porcentajes bajos. El bronce al aluminio es de las aleaciones más ligeras 
del cobre con una densidad de 7.4 g/cm3 aproximadamente. Modificando la 
concentración de los elementos de aleación se crea una familia de aleaciones con 
unas excelentes propiedades de resistencia mecánica y a la corrosión. Estas 
propiedades, superiores a las que presentan los aceros de bajo contenido en 
carbono o las fundiciones de hierro, hacen que estas aleaciones sean unas de las 
más versátiles que existen. Los bronces al aluminio son reconocidos debido a su 
alta resistencia a la corrosión siendo muy estables frente a contacto de fluidos 
como agua de mar, líquidos o aguas residuales, diversos ácidos, entre otros, a 
temperatura ambiente e incluso elevadas temperaturas siempre y cuando no se 
supere los 300°C, ya que a una temperatura un poco mayor se inicia el 
ablandamiento del material, la resistencia a la corrosión es debida a la adición del 
aluminio al cobre ya que el aluminio forma una capa protectora sobre la aleación. 
Dependiendo del contenido de aluminio los bronces pueden ser monofásicos o 
polifásicos. La fase α es una fase dúctil apropiada para ser trabajada en frío. La 
fase β es más dura y más resistente, y puede ser trabajada en caliente. A 565ºC la 
fase β se transforma en α+γ2. La fase γ2 tiene unas características que la hacen 
no deseada con respecto a las propiedades mecánicas y resistencia a la 
corrosión; se produce al enfriarse lentamente estas aleaciones y debido a su falta 
de plasticidad, debe evitarse por medio de enfriamientos acelerados cuando la 
temperatura se aproxima a la de formación del eutectoide, o mediante la adición 
de elementos aleantes. [9] 
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El contenido de aluminio en este tipo de bronces se encuentra entre un 4% y un 
11%. De acuerdo al diagrama de equilibrio esta aleación, está conformada por 
varias fases: α, β, γ1, γ2, y k, como se observa en la fig. 13. La máxima solubilidad 
del aluminio en la fase α sólida es aproximadamente del 9.5% a 565ºC, a esta 
misma temperatura la fase β sufre una reacción eutectoide para formar la mezcla 
(α+γ2). 
 
Figura 13. Diagrama de fase de la aleación bronce al aluminio. [9] 
 
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II. Desarrollo experimental 
 
A continuación, en la fig. 14 se presenta un diagrama de bloques de la manera en 
que se desarrolló este estudio de manera general 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
III.- Resultados 
 
 
Calculo y diseño del 
sistema de alimentación 
Calculo y diseño del 
sistema de colada 
Diseño del bebedero 
Bebedero con 
perfil 
parabólico 
Bebedero con 
perfil cónico 
Proceso de 
moldeo 
Proceso de vaciado 
Preparación del metal 
“Bronce al aluminio” 
Pieza terminada lista para su inspección 
Figura 14 
Diagrama de bloques del 
proceso del desarrollo 
experimental 
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