TEMA II

Vista previa del material en texto

Proceso de Contracción
La contracción ocurre en tres pasos: 1) contracción líquida durante el enfriamiento anterior a la solidificación; 2) contracción durante el cambio de fase de líquido a sólido, llamada contracción de solidificación, y 3) contracción térmica de la fundición solidificada durante el enfriamiento hasta la temperatura ambiente.
Introducción
Fue utilizada por primera vez la fundición hace alrededor de seis mil años, y continúa siendo un importante proceso de manufactura para producir partes o piezas muy pequeñas o muy grandes.
En este capitulo se describen,
Los mecanismos de solidificación en los metales y sus aleaciones.
Introducción
La importancia de los patrones de solidificación en la fundición.
Las características del flujo del fluido y de la transferencia de calor en los moldes y sus efectos.
El papel de los gases y de la contracción en la formación de defectos en la fundición.
PRODUCCION DE ARRABIO Y ACERO
C 4%; Si 1,5%;
Mn 1%CC
ALTO HORNO
Proceso de Laminado en Caliente
Ventajas de la Fundición
Puede producir formas complejas con cavidades internas o secciones huecas. Manufactura de forma neta.
Fundición de piezas muy grandes o muy pequeñas.
Puede utilizar materiales cuyo proceso por otros medios es difícil o no económico.
Es altamente competitivo frente a otros procesos de manufactura.
REF: Kalpkjian, “Manufactura, Ingeniería y Tecnología”
Etapas en el Proceso de Fundición.
(Metales y Aleaciones)
Calentamiento y fusión de los metales o aleaciones.
Vaciado o Fundido, en un molde con la forma de la parte a manufacturar. 
Solidificación o enfriamiento a To ambiente y separación de la parte manufacturada del molde.
Factores a Considerar en la Fundición
El flujo del metal fundido dentro de la cavidad del molde.
La solidificación y el enfriamiento del metal dentro del molde.
La influencia del tipo de material del molde.
Granos y Límites de Granos
Solidificación de los Metales 
Se vacía el metal fundido en un molde, se solidifica y enfría a la temperatura ambiente.
Durante estos procesos ocurre una serie de eventos que influyen en gran medida en el tamaño, forma, uniformidad y composición química de los granos formados a lo largo de la fundición, que a su vez inciden en sus propiedades. 
Los factores importantes que afectan estos eventos son el tipo de metal, las propiedades térmicas del metal y del molde, la relación geométrica entre el volumen y el área superficial de la fundición y la forma del molde.
Solidificación de los Metales 
Debido a que un metal puro tiene un punto de fusión claramente definido, solidifica a una temperatura constante. Por ejemplo, el aluminio puro solidifica a 660°C, el hierro a 1537°C y el tungsteno a 3410 °C. 
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.
Solidificación de las Aleaciones
La solidificación en las aleaciones comienza cuando la temperatura desciende por debajo del liquidus TL y termina cuando alcanza el solidus, TS. En este intervalo de temperaturas, la aleación se encuentra en un estado blando o pastoso que consiste en dendritas columnares
Solidificación de las Aleaciones y el Efecto en sus Propiedades
El ancho donde coinciden las fases líquida y sólida (zona pastosa) es un factor importante durante la solidificación. Esta es, conocida como rango de solidificación o de congelamiento , y puede expresarse de la siguiente manera:
			Rango de Solidificación = TL - TS
Solidificación de las Aleaciones
Un rango de solidificación corto, comprende una diferencia de temperatura de menos de 50 °C, y un rango de solidificación largo, más de 110 °C. 
En general, las fundiciones ferrosas tienen zonas pastosas estrechas, mientras que en las aleaciones de aluminio y de magnesio son amplias. 
Las últimas aleaciones se encuentran en un estado sólido-líquido (pastoso) durante la mayor parte del proceso de solidificación.
Solidificación de las Aleaciones
Las aleaciones eutécticas constituyen una excepción del proceso general de solidificación de las aleaciones, ya que tiene una composición particular en la cual las temperaturas sólidus y líquidus son iguales. En consecuencia, la solidificación ocurre a una temperatura constante (punto invariante 0 grados de libertad), y no en un rango de temperaturas como se describió para las aleaciones.
Consecuencias de la Solidificación de Metales Puros y Aleaciones
Textura de los granos y segregación.
Proceso de contracción. 
Esquema de tres estructuras de metales fundidos solidificados en un molde cuadrado:
metales puros; (b) aleaciones de solución sólida; y (c) estructura obtenida utilizando
 agentes nucleantes.
Fuente: Kalpakjian : “Manufactura, Ingeniería y Tecnología”
Fuente: Kalpakjian : “Manufactura, Ingeniería y Tecnología”
Patrón de Fundición para 
El Hierro Fundido.
EFECTOS DE LA VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO EN LA FORMACION DE DENTRITAS Y TAMAÑO DE GRANO 
Proceso de Contracción
La contracción del metal líquido durante el enfriamiento, desde la temperatura de vaciado hasta la temperatura de solidificación, causa que la altura del líquido se reduzca desde el nivel inicial (1). La cantidad de esta concentración líquida es generalmente alrededor del 0.5%.
La contracción de solidificación (2) tiene dos efectos. Primero, nueva reducción en la altura de la fundición. Segundo, la cantidad de metal líquido disponible para alimentar la porción superior del centro de la fundición se restringe. Esta es la última región en solidificar y la ausencia de líquido crea un vacío llamada rechupe.
Proceso de Contracción
Una vez solidificada y mientras enfría, la fundición experimenta una contracción posterior en altura y diámetro (3). 
Esta contracción se determina por el coeficiente de expansión térmica del metal sólido, que en este caso se aplica a la inversa para determinar la contracción.
En la siguiente tabla se muestran valores de contracción por solidificación y la contracción solida (2) y (3).
Proceso de Contracción
En la anterior tabla, la excepción a la reducción de volumen durante el proceso de solidificación, constituye el hierro fundido con alto contenido de carbono. Esto debido a que en las etapas finales de enfriamiento se produce una grafitación provocando una expansión tendiente a contrarrestar el incremento volumétrico asociado con el cambio de fase.
Tolerancia de Contracción
Es por lo explicado anteriormente que, los técnicos que realizan los modelos para la fundición (modelistas), toman en cuenta la contracción por solidificación para sobredimensionar las cavidades de los moldes.
La cantidad que hay que aumentar a las dimensiones del molde con respecto al tamaño de la pieza final se llama tolerancia de contracción del modelo.
Tolerancia de Contracción
Aunque la contracción es volumétrica, las dimensiones de la fundición se expresan de manera lineal.
Para hacer los modelos y los moldes más grandes que la pieza, se usan reglas especiales de contracción que consideran una ligera elongación en la proporción adecuada
Estas reglas varían en elongación desde menos de 3 mm a 16 mm por cada 300 mm de longitud con respecto a una regla normal, dependiendo del metal a fundir.
Efectos de la Velocidad de Enfriamiento
Velocidades de enfriamiento bajas (tiempos de solidificación largos) producen estructuras o granos gruesos con un gran espaciamiento entre los brazos de las dendritas.
Velocidades de enfriamiento mayores (tiempos locales de solidificación cortos) producen granos mas finos con menor espaciamiento entre dendritas.
Para velocidades de enfriamiento superiores, las estructuras que se desarrollan son amorfas.
Esta velocidades influyen en las propiedades de las aleaciones.
Efectos de la Velocidad de Enfriamiento
Al disminuirel tamaño del grano aumentan la resistencia y la ductilidad de la aleación fundida, se reduce la micro porosidad (huecos por contracción entre las dendritas) en la fundición y reduce su tendencia al agrietamiento durante la solidificación. La falta de uniformidad del tamaño del grano y de su distribución produce fundiciones con propiedades anisotrópicas
Relación Estructura - Propiedad
Esta relación es importante ya que se espera que todas las fundiciones posean ciertas propiedades que satisfagan los requerimientos de diseño y uso. 
La cinética de la interfaz líquido-sólido se define por la relación G/R, donde G es el gradiente térmico (oK/m) y R la velocidad a la que se mueve la interfaz (m/seg). Estructuras tipo dendrítico (a) y (b) tienen un valor de G en el rango de 105 a 107, mientras que para valores de 1010 y 1012 producen una interfaz líquido-sólido no dendrítica de frente plano. https://www.youtube.com/watch?v=hIJDI3fgBXI
Estructuras fundidas: a) Frente Plano Monofásico, b) Frente Plano Bifásico. 
Defectos frecuentes durante el Proceso de Solidificación
Los estudiaremos en detalle más adelante, así que mencionamos algunos de los defectos frecuentes en la fase de solidificación:
Porosidades; Microgrietas; Inclusiones no metálicas; Segregación de elementos de aleación; Formas de granos muy heterogéneas (por ejemplo: granos muy alargados y granos pequeños); Rechupes, (huecos debidos a la contracción del metal líquido al solidificarse y que no han sido llenados por más metal líquido)
Proceso de Segregación
Si la aleación se enfría de manera muy lenta, cada dendrita desarrolla una composición uniforme, sin embargo, en las condiciones normales (más rápidas) de enfriamiento, se forman dendritas con núcleo
Éstas tienen una composición superficial distinta a la de sus centros, diferencia que se conoce como gradiente de concentración o segregación.
Tipos de Segregación
Micro-segregación.
Macro-segregación.
Segregación Inversa.
Segregación por gravedad
Relación Estructura - Propiedad
La convección tiene una fuerte influencia en las estructuras que se desarrollan, debido a factores como: la gravedad, diferencia de densidades resultante y presencia de gradientes térmicos en una masa de metal líquido que se está solidificando.
La convección promueve la formación de una zona exterior de enfriamiento, refina el tamaño del grano y acelera la transición de granos columnares a equiaxiales.
Tecnología de la Fundición
Una planta fundidora esta equipada para diseñar, producir moldes, fundir las aleaciones y realizar el proceso de acabado o terminado de las piezas fundidas.
Fabricación del molde. El molde, mediante una cavidad, posee la forma geométrica de la parte a fundir. Como analizamos anteriormente, esta cavidad debe diseñarse de forma y tamaño sobre-dimensionados que permita la contracción del metal durante la solidificación y enfriamiento. 
Tecnología de la Fundición
Los moldes pueden fabricarse de yeso, arena, cerámica y metal.
En el proceso de fundición se calienta el metal por encima del punto de fusión y el líquido se vierte en la cavidad del molde por un bebedero, que posee una copa de vaciado para minimizar las salpicaduras y la turbulencia del metal. 
Tecnología de la Fundición
Cuando la contracción de las aleaciones fundidas es significativa, se requiere además del sistema de vaciado de una mazarota conectada a la cavidad principal.
La mazarota es una reserva de metal o aleación líquida para compensar la contracción de la fundición durante la solidificación.
Debe diseñarse de tal forma, que solidifique después de la fundición principal.
Tecnología de la Fundición
Una vez que la fundición se ha enfriado, se remueve del molde. 
Posteriormente se remueven las rebabas, se procede con el desbaste del excedente de fundición, maquinado de la pieza de ser necesario, limpieza, tratamientos térmicos para mejorar sus propiedades, tratamientos superficiales, etc.
(a) Molde abierto con la forma de la parte de Fundición.
(b) Molde cerrado complejo que requiere un sistema de vaciado
(c) Sección transversal de un molde en tres partes
Tecnología de la Fundición
Modelos. Poseen la esencia de la forma de la pieza a fundir que incluye la forma del bebedero, canales de alimentación y mazarotas.
El diseño debe ser lo más simple posible.
Para facilitar la construcción de la cavidad del modelo, puede estar construida en dos piezas.
Materiales que pueden ser usados son madera, metales (Al, Mg) y en algunos casos yeso.
Tecnología de la Fundición
Tolerancia en el Modelo. El modelo con el que se fabrica la cavidad del molde, es diferente de la pieza a producir, tanto en forma como en dimensiones.
Estas diferencias intencionales, se denominan tolerancias del modelo.
Principios Fundamentales en el Diseño de los Canales de Alimentación
Existen dos principios básicos fundamentales en el diseño de los canales de alimentación en el proceso de fundición: el Teorema de Bernoulli y la Ley de Conservación o Continuidad de la Masa.
Teorema de Bernoulli
La energía de un fluido en cualquier momento consta de:
Energía cinética, debido a la velocidad del fluido.
Energía potencial o gravitacional, debido a la altura del fluido.
Energía debido a la presión del fluido. 
Teorema de Bernoulli
Donde h (m) es la elevación por encima de cierto plano de referencia, p (N/m2) la presión a esa elevación, v la velocidad del líquido a esa elevación, ρ (Kg/m3) la densidad del fluido (suponiendo que es incompresible) y g (9,81m/seg2)la constante gravitacional. 
Teorema de Bernoulli
La conservación de la energía obliga a que, en una ubicación particular en el sistema, se cumpla la siguiente relación:
donde los subíndices 1 y 2 representan dos elevaciones diferentes. f  representa la pérdida por fricción en el líquido conforme viaja hacia abajo del sistema. Esta pérdida incluye factores como la pérdida de energía en las interfaces líquido-pared del molde y la turbulencia en el líquido.
Teorema de Bernoulli
Si ignoramos las pérdidas por fricción, y asumimos una presión atmosférica en todo el sistema, tenemos:
Esta ecuación sirve para determinar la velocidad del metal fundido en la base del bebedero (ver figura de moldes)…
Teorema de Bernoulli
Punto (1) parte superior del bebedero, punto (2) base. Por tanto la altura en ese punto es cero (h2=0); h1 será la altura del bebedero. Además la velocidad inicial del material fundido en la parte superior es cero, (v1=0):
Donde v=velocidad del metal fundido en la base del bebedero en m/seg; g = 9,81m/seg2; h = altura del bebedero en m.
Ley de la Conservación o Continuidad de la Masa
En palabras sencillas establece que: la masa que entra es igual a la masa que sale, o que la velocidad de flujo volumétrico es constante para líquidos incompresibles y en sistemas con paredes impermeables.
				
Ley de la Conservación o Continuidad de la Masa
Donde Q = Velocidad de Flujo Volumétrico en m3/seg; v = Velocidad en m/seg; y A = Área de la sección transversal del líquido.
Los subíndices 1 y 2 se refieren a dos puntos diferentes del sistema.
Por tanto un incremento en el área produce un decremento en la velocidad y viceversa.
Diseño del Bebedero
La aplicación de las 2 anteriores Leyes es utilizada en el diseño cónico de los bebederos, cuya forma se determina a partir de las anteriores ecuaciones:
Donde el subíndice 1 es la parte superior del bebedero, y 2 el fondo
78
Diseño del Bebedero
El material fundido al moverse de arriba abajo, debe disminuir el área de sección transversal del bebedero.
Si diseñamos un bebedero con una sección transversal de área constante y vaciamos el metal dentro de ella, se pueden desarrollar regiones en las que el líquido pierda contacto con las paredes del bebedero.
Diseño del Bebedero
Como consecuencia puede darse el fenómeno de la aspiración (proceso en el que se succiona aire o éste queda atrapado en el líquido). 
Otra alternativa es el uso debebederos con lados rectos los cuales poseen un sistema de estrangulación en el fondo, que reduce el flujo para evitar la aspiración en el bebedero.
Diseño del Canal de Alimentación y Llenado del Molde
Una otra aplicación de las ecuaciones estudiadas es el diseño del canal de alimentación o llenado del molde para la fabricación de la pieza.
Para asegurar que los canales se mantengan abiertos, el tiempo de llenado debe ser una pequeña fracción del tiempo de solidificación, pero la velocidad no debe ser tan alta como para erosionar el material del molde (a lo que se conoce como lavado del molde) o para producir un número de Reynolds demasiado alto
Diseño del Canal de Alimentación y Llenado del Molde
Diseño del Canal de Alimentación y Llenado del Molde
El tiempo de llenado del molde debe ser igual al tiempo de solidificación de la pared mas delgada de la pieza a fundir.
Diseño de la Mazarota
La mazarota es un reservorio de metal fundido con el objetivo de alimentar en todo momento al molde en las zonas calientes y salvando las contracciones volumétricas.
Debe solidificar después de la pieza.
 El volumen mínimo que debe tener una mazarota está determinado por la cantidad de metal requerido para compensar la contracción del metal solidificado. 
Ejercicio 1. Solución en clases
La longitud de un bebedero de colada de un pequeño molde es de 20 cm, y tiene un área de la sección transversal en la base del bebedero de 2,58 cm2. Este bebedero, alimenta a un canal horizontal conectado a la cavidad del molde de la pieza a fundir cuyo volumen es de 1638,7 cm3.
Determinar: a) La velocidad de la aleación fundida en la base del bebedero. b) Velocidad volumétrica del flujo. c) Tiempo requerido para llenar la cavidad del molde. 
Fluidez del Metal o Aleación Fundida
La fluidez es una medida de la capacidad del metal o aleación para llenar el molde antes de enfriar o solidificar, que consta de dos factores básicos: (1) las características del metal fundido y (2) los parámetros de fundición.
(1) Viscosidad, tensión superficial, inclusiones, patrón de solidificación.
(2) Diseño del molde, material del molde y sus características superficiales, grado de sobrecalentamiento, velocidad de vaciado, transferencia de calor.
Transferencia de Calor
Tiempo de Solidificación
Primero se forma una delgada capa superficial solidificada en las paredes frías del molde, y conforme pasa el tiempo, el espesor de la capa aumenta. En paredes rectas de los moldes, este espesor es proporcional a la raíz cuadrada del tiempo. 
El tiempo de solidificación está en función del volumen y de su área superficial, y se la conoce como la Regla de Chvorinov.
Regla de Chvorinov
Donde C es una constante experimental del molde que refleja (a) el material del molde, (b) las propiedades del metal (incluyendo el calor latente) y (c) la temperatura. El parámetro n tiene un valor entre 1.5 y 2, pero por lo general se considera 2.
Ejercicio 2. Solución en clases
Se fundirán 3 piezas que tienen diferentes formas pero el mismo volumen: un cubo, una esfera y un cilindro cuya altura (en todos los casos) es igual a su diámetro. Cual de las piezas solidificara primero y cual será la más lenta? Asuma que n = 2
Regla de Chvorinov
Esta regla nos sirve para el diseño de la mazarota que debe permanecer en fase líquida más tiempo que el de la fundición.
Si el diseño de la mazarota incluye una relación de volumen a área más grande, podemos estar casi seguros que la solidificación de la fundición principal será primero y se reducirán los efectos de la contracción.
Ejercicio 3. Solución en clases
Debe fundirse una placa rectangular de acero de dimensiones 7,62cm x 12,7cm x 2,54cm. Mediante observaciones, se ha determinado que el tiempo de solidificación para esta fundición es de 1,6 min. Calcular las dimensiones de una mazarota cilíndrica cuya relación de diámetro a altura es igual a 1 y de tal manera que el tiempo de solidificación sea de dos minutos.
Contracción
Los metales en general se contraen (comprimen) durante la solidificación hasta llegar a la To ambiente, (propiedad contraria a la dilatación térmica).
La contracción, que provoca cambios dimensionales y algunas veces agrietamiento, es el resultado de tres eventos consecutivos:
Contracción
Contracción antes de solidificar.
Contracción del metal durante el cambio de fase líquida a solido, (calor latente de fusión).
Contracción del material solidificado a medida que reduce la To hasta la temperatura ambiente.
Defectos de Fundición
Los defectos se deben principalmente a: selección de los materiales, diseño de la pieza y técnicas de procesamiento.
Algunos defectos afectan a la apariencia de la pieza; y otros efectos adversos en la integridad estructural.
En las fundiciones se pueden desarrollar varios defectos, el International Committee of Foundry Technical Associations ha elaborado una nomenclatura estandarizada que consta de siete categorías básicas de defectos de fundición:
Defectos de Fundición
Proyecciones metálicas: consisten en aletas, rebabas o proyecciones, como ampollas y superficies rugosas.
Cavidades: consisten en cavidades redondeadas o rugosas, internas o expuestas, incluyendo sopladuras, puntas de alfiler y cavidades por contracción.
Discontinuidades: como grietas, desgarramientos en frío o en caliente. Si no se permite que el metal se contraiga libremente al solidificarse, pueden presentarse grietas y desgarres.
Defectos de Fundición
Superficie defectuosa: como pliegues, traslapes y cicatrices superficiales, capas de arena adherida y escamas de óxido.
Fundición incompleta: fallas debidas a solidificación prematura, fluidez de la aleación, volumen insuficiente del metal vaciado y fugas (por la pérdida de metal del molde después de haber sido vaciado).
Dimensiones o formas incorrectas: tolerancia inapropiada para la contracción, error de montaje del modelo, contracción irregular, modelo deformado.
Defectos de Fundición
Inclusiones: se forman durante la fusión, solidificación y moldeo. Son inclusiones no metálicas. Se consideran dañinas porque actúan como multiplicadoras de esfuerzos y, reducen la resistencia de la fundición. Durante el procesamiento del metal fundido se pueden filtrar partículas tan pequeñas como 30 µ, cuando el metal fundido reacciona con el medio ambiente.
Defectos de Fundición en Moldes de Arena
Defectos de Fundición en Moldes de Arena
Sopladuras. Es una cavidad de gas en forma de pelota causada por un escape de gases durante el moldeado. Pobre ventilación y alto contenido de humedad en la arena del molde, son una de las causas.
Puntos de Alfiler. Defecto similar al anterior; que forma pequeñas cavidades de gas en la superficie o por debajo de la fundición .
Defectos de Fundición en Moldes de Arena
Caídas de arena. Provoca irregularidades en la superficie de la fundición. Resultado de la erosión del molde durante el vaciado que se imprime en la superficie de la fundición final.
 Costras. Son áreas rugosas en la superficie de fundición debido a la incrustación de arena y metal. Causadas por desprendimiento de la superficie del molde
Defectos de Fundición en Moldes de Arena
Penetración. Debido a que la fluidez del metal es alta y puede penetrar en el molde o el corazón de arena. La solución es una mayor compactación del molde.
Corrimiento del molde. Causado por el desplazamiento lateral del semimolde superior respecto al inferior
Corrimiento del corazón. Similar al anterior pero con desplazamiento vertical. 
Defectos de Fundición en Moldes de Arena
Molde agrietado. Insuficiente resistencia del molde, desarrollando grietas que permite la penetración del metal fundido en el molde formando aletas en el producto final. 
Porosidad
La porosidad afecta a la ductilidad de una fundición y su acabado superficial, haciéndola permeable y, por lo tanto, afectando la hermeticidad de recipientes presurizados producidos por fundido.
Es ocasionada por contracción del metal solidificado, o por gaseso por ambos. 
Porosidad
También puede desarrollarse microporosidad cuando el metal líquido se solidifica y contrae entre las dendritas y entre sus ramas.
Formas de Eliminar la Porosidad por Contracción
Suministrar la cantidad adecuada de metal líquido para evitar las cavidades ocasionadas por la contracción.
Los enfriadores internos o externos, utilizados en la fundición en arena. Estos enfriadores, aumentan la velocidad de solidificación en las regiones críticas. 
Formas de Eliminar la Porosidad por Contracción
En las fundiciones de hierro, aluminio y cobre se originan micro porosidades por la acumulación de gases en las zonas interdentríticas que pueden ser retirados mediante purgado con gas inerte. Si el gas disuelto es oxigeno, el metal fundido se puede desoxidar; el acero con aluminio y silicio, y aleaciones de cobre con cobre fosforoso o titanio.
Es difícil determinar si la micro porosidad es el resultado de la contracción o si la causan los gases.
Si la porosidad es esférica y tiene paredes lisas, generalmente se debe a gases.
Si las paredes son rugosas y angulares, es probable que se deba a la contracción entre dendritas. 
La porosidad gruesa es debida a la contracción.