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Ingeniería de Materiales 162 Solidificación Objetivos generales Orientar la selección del proceso de moldeo adecuado para el diseño y/o fabricación de piezas fundidas, al menor costo y de acuerdo con especificaciones preestablecidas. Objetivos específicos 1. Poner en evidencia la importancia que tiene cada una de las etapas del proceso en la calidad del producto obtenido. Relacionar esta influencia con el diseño y las características de las piezas. 2. Presentar criterios para el adecuado diseño de piezas a obtener por fundición 3. Estudiar las técnicas necesarias para la fabricación de piezas fundidas partiendo de un plano de dibujo 4. Ilustrar los diferentes procesos de fundición, describiendo los equipos y materiales utilizados industrialmente 5. Proponer una metodología para el desarrollo de estudios de moldeo Fundamentos 1. Se deben establecer claramente las propiedades del componente como producto semielaborado y terminado. El modelo a utilizar, las temperaturas de fusión, el molde (material, propiedades de transferencia térmica, velocidad de enfriamiento, etc.), deben responder a criterios de diseño, de manera de poder aplicar procedimientos de control basados en normas y sistemas de calidad. 2. Se debe especificar claramente: a. Etapas de solidificación b. Selección del sentido de moldeo c. Modelos d. Materiales de moldeo (moldes) e. Sistemas de alimentación y de llenado: Se debe tener coherencia con los parámetros usados en el cálculo de los dos sistemas. - Sistema de alimentación: Cálculo y disposición de los alimentadores y enfriadores - Sistema de llenado: Cálculo del volumen y peso de la pieza. Cálculo, disposición y forma de los elementos de colada. La solidificación a partir de la fusión es el método más utilizado en tecnología para lograr materiales (principalmente aleaciones), en estado semielaborado. Las etapas principales son la fusión, colado, solidificación en condiciones controladas. Se utilizan moldes de diferentes materiales (cerámicos, de paneles de cobre refrigerados, de fundición gris, etc.). No hay limitaciones en el tamaño de los semielaborados a colar. Los moldes de mayor tamaño pueden ser de mas de 100 tns. En una gran cantidad de casos, la solidificación a través del proceso de fusión y moldeo, es el único método de obtención de piezas terminadas (válvulas, cuerpo de bombas, blocks de motores, etc.). En el gran tonelaje de aceros destinados a estructuras, elementos de máquinas y herramientas, la solidificación es una etapa crítica previa a la aplicación de procesos de conformado (forja, laminación, trefilado, plegado, etc.). Ingeniería de Materiales 163 El proceso de solidificación (Figura 1), implica: • Formación de núcleos con pequeños cristales (Nucleación) • Crecimiento de los núcleos hasta dar origen a cristales (Crecimiento) • Formación de una estructura granular Nucleación (Figura 2) Es la etapa inicial para la formación de una fase a partir de otra. Está asociada con las transformaciones de fase. Se deben considerar dos tipos de energía (Figura 3): 1. Energía libre de volumen o global (núcleo sólido), ΔGV 2. Energía libre superficial (interfase). Aumenta con el radio del núcleo, sl Líquido Radio r Interfase Sólido-líquido 24 rA 3 3 4 rV Sólido -← C am b io d e en er gí a lib re → + Cambio de energía libre de volumen: 4/3 πr3.ΔGv Cambio de energía libre de superficie: 4πr2. δsl r* Radio crítico Radio de la partícula, r Energía libre total del sistema sólido-líquido: embrión núcleo Fig. 1 – Etapas del proceso de solidificación Fig. 2 – Nucleación Fig. 3 – Energía en proceso de nucleación Ingeniería de Materiales 164 Crecimiento Luego de la nucleación se produce el crecimiento. Su desarrollo depende principalmente del grado de sobreenfriamiento. Se deben tener en cuenta las variables C0 (Concentración inicial de soluto), G (Gradiente térmico en el líquido) y R (velocidad de solidificación). Figura 4. Mecanismos de crecimiento La variable más importante es la eliminación del calor Calor especifico del sólido: se elimina por radiación o conducción hasta la temperatura de nucleación Calor latente de fusión: La forma en que se elimina el calor latente, determina el mecanismo de crecimiento del material Crecimiento plano (Figura 5) Hay suficientes agentes nucleantes Fig. 4 – Modos de crecimiento en el proceso de solidificación Fig. 5 – Crecimiento plano en solidificación Ingeniería de Materiales 165 Crecimiento dendrítico (Figura 6) Se caracteriza por producirse un alto grado de sobreenfriamiento ΔH: aumenta la temperatura del líquido sub-enfriado hasta la temperatura de solidificación Fracción dendrítica = Curvas de enfriamiento. Material amorfo (por ejemplo vidrio) Metal sin sobreenfriamiento T e m p e ra tu ra t T Tiempo Metal amorfo = Velocidad de enfriamiento T e m p e ra tu ra Tiempo local de solidificación t T Tiempo total de solidificación Tiempo Fig. 6 – Crecimiento dendrítico en solidificación Fig. 8 – Solidificación en materiales amorfos Fig. 9 – Solidificación sin sobreenfriamiento Ingeniería de Materiales 166 Aleaciones con sobreenfriamiento Microestructuras de solidificación (Figura 11) a) Nucleación b) Zona de enfriamiento rápido c) Zona columnar d) Zona equiaxiada Efectos de la solidificación Contracción (Figura 12) Material Contracción (%) Al 7 Cu 5.1 Mg 4 Zn 3.7 Fe 3.4 Aceros 2.5-4.0 Fundición blanca 4-5.5 A B C D E Tiempo T e m p e ra tu ra sobrecalentamiento sobreenfriamiento Recalescencia Solidificación isotérmica Cavidad Solución: Uso de mazarota Fig. 10 – Solidificación con sobreenfriamiento Fig. 11 – Microestructuras de solidificación Fig. 12 – Efectos de la solidificación Ingeniería de Materiales 167 Inclusiones no metálicas (macro y microinclusiones) Inclusiones, gases y defectos internos Las inclusiones son compuestos no metálicos (óxidos, aluminatos, silicatos, sulfuros, etc.). Se forman a partir de las impurezas que provienen de las materias primas o del revestimiento de los hornos de proceso y sistemas de colada. Por el tamaño, pueden ser microinclusiones o macroinclusiones. Estas partículas afectan a las propiedades en general, en función de la durabilidad e integridad. La calidad de las piezas fabricadas por moldeo, en gran parte depende del tamaño, forma, distribución y cantidad de inclusiones. El control de estas características se realiza en las etapas de fusión y solidificación de las piezas. El contenido de gases es un factor preponderante en la obtención de componentes de buen grado de calidad. Existen equipos de desgasificación, pero también es necesario la aplicación de técnicas de secado de materias primas y moldes. Durante la solidificación se produce la contracción de las piezas moldeadas. Esto puede dar lugar a la aparición de discontinuidades internas de nivel no aceptable. Por lo tanto se deben tomar precauciones para la obtención de piezas útiles. Calidad superficial En piezas fabricadas por moldeo es importante lograr una buena calidad superficial. Esto depende de las características del material utilizado para el molde, del molde, de la pintura utilizada para la protección del molde y de la temperatura de moldeo. La obtención de piezas con baja calidad superficial obliga a realizar operaciones de recuperación y acondicionamiento que en general son costosas. Tratamientos térmicos y mecanizado Para la obtención de piezas terminadas, esinevitable la aplicación de tratamientos térmicos. Así se logra homogeneidad química y microestructural. El mecanizado finalmente es la etapa de elaboración que posibilita el uso de las piezas moldeadas. 0 250 500 750 1000 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 S o lu b ili d a d d e l h id ró g e n o ( c m 3 H 2 /1 0 0 g d e A l) Temperatura ºC Solubilidad del Hidrògeno gaseoso en el aluminio Porosidad (Figura 13)
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