Nuevos materiales: una odisea de años

Transcripción

1 Nuevos materiales: Manufactura II una odisea de años Plan 2016 Clave 2603 del homo habilis Grupo al homo 01 sapiens

2 Generalidades de los procesos de Fundición; Definición Clasificación Aplicaciones Sus limitaciones El Molde y su llenado, Equipo de fusión, equipo auxiliar o complementario Moldes no permanentes Modelos de fundición; materiales, tipos de modelos, sobredimensionamiento Materiales de moldeo; arenas, su composición y características generales Moldeo en Arena; diferentes técnicas de aglomeración de la arena, moldeo en verde, caja fría, caja caliente, cáscara Fabricación de machos o corazones; métodos y equipo Otros procesos y materiales de moldeo; Proceso a la cera pérdida o de revestimiento de alta precisión. Unidades de Fusión (HORNOS);

3 Manufactura II Procesos de Fundición Descripción: En los proceso de fundición el metal fundido fluye por gravedad u otra fuerza dentro de un molde donde se solidifica y toma la forma de la cavidad del molde Se dice que una pieza ha sido producida por fundición cuando su geometría y dimensiones se obtienen, de manera muy aproximada a la final, al solidificar el metal en el molde (puede existir operaciones posteriores de maquinado).

4 Procesos de fundición Molde No permanente Molde Permanente Modelo permanente Modelo no permanente Espuma pérdida Molde Metálico Moldeo en arena Arcillas Moldeo en cerámicas En yeso de ceramista Cera pérdida Por gravedad Baja presión Fundición a presión Silicatos Resinas C erámicos Al vacío

5 Etapas principales del proceso de fundición.

6 Descripción esquemática del procesos de colada

7 Manufactura II Procesos de Fundición En todo proceso de fundición se requiere de: Un Molde o Matriz el cual contiene una o más cavidades que corresponden con las piezas a producir. El molde deberá de reproducir fielmente la pieza, así como tener las características que le permitan soportar al metal líquido sin modificar sus dimensiones o reaccionar con éste. Una unidad de fusión (horno); metal con la composición y temperatura requeridas. Equipo auxiliar que dependerá del método aplicado

8 La denominación será función de su duración Molde Un vaciado y se destruye Matriz Permite más de una operación Matriz semipermanente Algunas operaciones Matriz permanente más de 1000 vaciados

9 Principio fundamental del proceso de fundición Calor Calor Rebaba Sólido Líquido Molde Sólido Pieza

10 Ventajas de la producción de piezas fundidas Producción de partes de geometría compleja Algunos procesos no se requiere de operaciones subsecuentes para llenar los requisitos geométricos y dimensionales de la pieza Amplio rango de dimensiones, ya que pueden producir piezas desde unos gramos hasta más de 100 toneladas

11 Ejemplos de piezas producidas mediante fundición Joyería y bisutería Estatuas Estufas de hierro fundido Bloques y cabezas para motores automotrices Bases para máquinas Ruedas para ferrocarril Utensilios de cocina Carcasas para bombas Pistones árbol de levas Tubos Componentes de armas Múltiples de escape

12 Piezas obtenidas por fundición; izquierda piezas de aleaciones de aluminio y en la figura intermedia de hierro gris y en la derecha de acero inoxidable.

13 El proceso de fundición está limitado a metales y aleaciones con temperatura de fusión menores a los 2000 C (normalmente menor de 1500 C), por lo que los metales refractarios no son procesados mediante estas técnicas. Wolframio o Tungsteno 3422 C Vanadio 1900 C

14 Desventajas de la producción de piezas fundidas 1. Presencia de defectos inherentes al proceso; esfuerzos internos, presencia de discontinuidades (porosidad gases-), rechupes (se deben a la contracción), contracción interna, segregación, entre otros)

15 Falta de llenado (pliegues fríos)

16 Gas atrapado (porosidad) Porosidad superficial

17 Formación de rebaba excesiva producto de un mal cierre del molde Desajuste en las cajas de moldeo, lo que provoca que el semimolde superior e inferior no coincidan Penetración del metal en la superficie del molde (amplificación)

18 2. Las piezas fundidas presentan mayor fragilidad

19 Factores a ser considerados en la operación de fundición Precisión dimensional, esto está determinado por la Contracción [en estado líquido, durante la solidificación, en el enfriamiento] y por las características inherentes al proceso de moldeo Llenado del molde, esto se relaciona con la Fluidez (viscosidad) del metal líquido durante el vaciado Enfriamiento del metal en el molde (transferencia de calor, esto genera esfuerzos internos). Este parámetro lo determina el material del molde.

20 Por fundición se pueden producir piezas de decenas de toneladas. Campana Zarina, Kremlin Moscú, Rusia. Fundida en 1733 y con un peso de 216 ton. y una altura de 6.14 m y un diámetro de 6.6 m.

21 Molde desechable (no permanente) a. Compactación de la arena alrededor del modelo. Manual ó mecánica (generalmente por medios automáticos mediante sistemas neumáticos). b. Si la pieza es hueca Machos ó corazones para generar cavidades (Formados y endurecidos se procederá a su colocación, para el posterior cerrado del molde).

22 Molde desechable 1. Modelo Sobredimensionado con relación a la pieza final [Contracción y maquinado] Ángulos mínimos con la dirección de desmoldeo Ángulo de salida (0.5 a 2 ) Si el modelo se extrae en forma líquida o gaseosa no son necesarios ángulos de salida (fundición a la cera pérdida, espuma perdida-lost foam processes).

23 Modelo Resistentes a la compresión, humedad ó temperatura Puede haber modelos desechables (una sola pieza) Cera pérdida Parafina y polietileno Colada sin cavidad Poliestireno expandido Para varias operaciones Madera, plásticos, Aluminio Usualmente se fabrican dos o más semimodelos

24 Diseño de la pieza para ser producida por Colada Modelo Definir línea (plano de partición) a. Superficies planas b. Facilidad para retirar el modelo c. Utilizar la línea (plano) de simetría d. Los corazones deben de quedar en el plano horizontal o en el eje vertical Manufactura II

25 El molde consiste en dos mitades: la semicaja ó semimolde superior y la semicaja ó semimolde inferior. Las dos mitades del molde están separadas por el plano de separación. Las cajas se describen por sus dimensiones, por ejemplo 18x12; 4/4 45 x 30 cm, 10 cm de altura de cada semicaja

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27 Geometrías que serán evitadas: Intersecciones con mayor espesor Cambios abruptos de sección Geometrías adecuadas: Intersecciones con radios Cambios graduales de sección

28 Se deben de considerar tolerancias por: Contracción; material Maquinado; proceso, acabados, tolerancias Ángulo de salida del modelo Manufactura II

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30 Tolerancias para diversos materiales y procesos Proceso Material Tolerancias (pg) Manufactura II Tolerancias para maquinado

31 Pieza Fundida Opción # 1 Menor costo de Fundición, factible para lotes pequeños<5 piezas Pieza Terminada Pieza Fundida; Opción # 2; Mayor costo de fundición, menor costo de maquinado

32 Material procesado Tamaño [Kg] Acabado superficial [Ra-µm] Tolerancia [mm/m] Espesores [mm] Complejidad geométrica Proceso Arena 0.05-sin (sand casting) Todos límite 5 a sin límite 1-2 Cáscara (shell molding) Todos a 3 ± Yeso de ceramista (plaster) No ferrosos a 2 Alta precisión (investment casting) Molde permanente (permanent Todos (alto punto de fusión) ± a 3 ± mold) No ferrosos a 20 ± Matriz a presión (die casting) No ferrosos < a 3 ± A baja presión (low pressure casting) No ferrosos a Centrífuga (centrifugal) Todos a

33 Sistema de llenado colada y alimentadores (colada) y mazarotas o rebosaderos

34 Cuál es la precisión (tolerancias) y acabados requeridos? Material Fundición Nodular

35 Modelos de madera, la zona pintada de negro (plantilla) corresponde al apoyo del macho o corazón.

36 Izquierda: modelo de una válvula de compuerta de 36 ; en el centro y derecha caja de corazones.

37 Modelo de poliestireno expandido y la correspondiente pieza ya fundida (su mayor inconveniente está dado por la generación de gases producto de la combustión del poliestireno expandido).

38 Modelo placa para proceso Shell, (izquierda) Modelo de aluminio para rotor

39 Imagen izquierda; modelo, el corazón de arena y la pieza ya vaciada todavía con sistema de alimentación. Figura derecha; cabeza de un motor diesel.

40 Manufactura I Métodos de moldeo. Moldeo en arena verde. Elaboración del molde con mezcla de molde [arena + arcillas bentonita-, agua] Se activan por la presencia de humedad Método más empleado y económico Para casi cualquier metal ó aleación Inconvenientes con el acabado superficial y las tolerancias

41 Manufactura I Métodos de moldeo. Moldeo en arena verde. Elaboración del molde con mezcla de molde [arena + arcillas bentonita-, agua] Se activan por la presencia de humedad Método más empleado y económico Para casi cualquier metal ó aleación Inconvenientes con el acabado superficial y las tolerancias

42 Proceso de Peso Economía de Espesor Diámetro Acabado Precisión Moldeo escala mínimo Agujeros (min) dimensional

43 Origen de diversos procesos de Moldeo Manufactura II

44 Arena sílica (Si0 2 ) es la más común, se pueden llegar a utilizar arenas de zirconio (ZrSi0 4 ), olivinita (Mg 2 Si0 4 ) y cromita (Fe0 - Cr ). La Arena Sílica es la de empleo general por su costo. Las arenas de zirconio presentan mayor conductividad térmica y no se adhieren a la superficie de la pieza. Tabla 1 Composición típica de una arena para fundición. Composición Arena Sintética % Arena Natural % Si Al Fe Ti Ca Mg K Na Pérdidas por combustión

45 Mezcla de Moldeo. Éstas deben presentar: Plasticidad (Facilidad para reproducir la geometría del modelo), Resistencia Mecánica (capacidad de la arena para conservar la forma de la cavidad) Poder Refractario (Capacidad para soportar el contacto con el metal fundido sin ser sinterizado por éste), Permeabilidad (Capacidad para permitir la salida de del aire y los gases producidos durante el llenado de la pieza) Estabilidad Química y Física (la mezcla no deberá sufrir transformaciones que afecten las dimensiones de la pieza)

46 Propiedades de arenas arena sílicas empleada en operaciones de moldeo para fundición de metales

47 Espesores mínimos para diversas aleaciones y procesos de fundición Proceso Aleación Espesor de pared (pg)

48 Moldeo en verde; aglomerantes- arcillas, éstas se caracterizan por ser regenerables ya que su fuerza de adhesión se obtiene mediante la adición de agua Caoliníticas (Al Si0 2-2H 2 0), montmorilloníticas [bentonitas] (Al Si0 2 - H 2 0-nH 2 0), hidromicáceas y poliminerales. Las bentonitas se utilizan tanto para el moldeo en verde como en seco.

49 a) Efecto de la Humedad en la Resistencia en Verde y en Seco, b) Influencia de la Humedad y del Contenido de Arcillas en la Resistencia en Verde. c) Mayor contenido de arcilla, entonces menor poder refractario

50 Etapas del moldeo en arena en verde. Emplea una mezcla de moldeo cuyos constituyentes principales son: arena, bentonita y agua. Este proceso se caracteriza por ser el más económico

51 Moldeo con arena no bake de piezas de grandes dimensiones y para, principalmente, materiales ferrosos (aceros y fundiciones). Cuando las piezas son muy grandes, el moldeo se efectúa en foso. En el caso de moldeo con resinas de curado en frío se emplean las lanzadoras de arena. El proceso de No Bake es el de mayor uso después del de moldeo en verde.

52 Métodos de moldeo. Manufactura II Fraguado en Frío (No Bake); es el más popular después de moldeo en verde, su costo, su costo es de 20 a 30% mayor que éste. Procesos CO 2 ; arena seca + aglomerante [silicato de sodio Na 2 SiO 3 ] Resinas autofraguantes; polímeros termofijos que se mezclan a la arena, estos endurecen a temperatura ambiente, moldes para piezas de acero. Caja caliente; Resinas de origen orgánico, terminan su polimerización al calentar la mezcla. Se utilizan para corazones. Estos procesos permite fundir piezas con mejor acabado superficial y tolerancias más cerradas. Moldeo en arena seca; En este el molde se seca antes del vaciado. Se incrementa la rigidez del molde. Piezas de mayor tamaño, sin inconvenientes debidos a la presencia de humedad durante el vaciado (bentonita sódica).

53 Métodos de moldeo. Moldeo en cáscara (Shell molding); Mezcla seca de arena + resina fenólica, ésta se endurece al calentarse a temperaturas entre 200 y 300ºC incrementando sensiblemente su rigidez, todo lo cual permite la producción de moldes (cáscaras) que solamente conllevan el contorno de la pieza. Se aplica para piezas pequeñas y medianas con una alta precisión y un excelente acabado. Proceso a la cera pérdida (plaster mold casting); para este se utiliza el yeso de ceramista (material usual en aplicaciones odontológicas, joyería y fundición artística). Éste se prepara con agua y se vacía sobre el modelo, una vez que endurece se procede al colado. En este caso el material del molde es yeso (sulfato de calcio) cuya única diferencia con el de uso común para recubrir muros es; tamaño de grano y contenido de contaminantes.

54 Molde en yeso ya terminado, derecha piezas en aluminio producidas por este método.

55 Fundición de alta precisión (modelos de parafina). Manufactura II Molde para modelos de cera Modelo de cera Ensamble, recubrimiento y fundición del modelo Llenado del molde Fundición desmoldada todavía con mazarota y corredores. Pieza fabricada por este método

56 MOLDEO EN ARENA EMPLEADO COMO AGLUTINANTE SILICATO DE SODIO (PROCESO CO 2 ). Para obtener la resistencia en el molde es necesario hacer pasar una corriente de gas carbónico [CO 2 ] a través de la arena. Silicato de sodio (Na 2 Si0 3.nH 2 0). El paso de C0 2 a través de la mezcla o por calor se producen una serie de reacciones químicas que dan lugar a la formación de una gel sílice que actúa como puente entre los granos de arena, la reacción general se representa por: Na 2 Si0 3 + CO 2 Na 2 CO 3 + Si0 2 Para reducir los costos se puede tan solo utilizar una capa que recubra al modelo y el resto se rellena con arena en verde.

57 El proceso C0 2 se emplea más en la producción de corazones. Mayor precisión dimensional. Mejor acabado. Máquina Sopladora de Corazones. Geometrías o detalles más complejos. Su principal desventaja radica en el costo de las resinas y en el reciclaje de la arena.

58 Proceso en caja caliente. Producción de corazones, su principal ventaja sobre el de cáscara reside en la mayor velocidad de producción. Resinas líquidas sintéticas, que al reaccionar con un catalizador a la temperatura adecuada, produce una cáscara de resistencia suficiente para que resista el peso del corazón, permitiendo así su maniobra sin que se rompa. La reacción que se produce para lograr el endurecimiento es: Resina líquida + catalizador + calor resina sólida + agua

59 Constituyentes de las resinas para el proceso de caja caliente. Constituyente Composición Química Fenol C 6 H 5 OH Formaldehído CH 2 = 0 Urea 0 = C (NH) 2 Alcohol furfural

60 Moldeo en cáscara (Shell).

61 Corazones producidos por diferentes técnicas, ya durante su ensamble.

62 Máquina sopladora de corazones de caja caliente

63 Una vez que se tiene molde y corazones se ensambla éste y se cierra la caja para proceder al vaciado (colada por gravedad)

64 UNIDADES DE FUSIÓN HORNOS POR SU COMBUSTIBLE O MEDIO DE CALENTAMIENTO POR EL CONTACTO ENTRE EL MATERIAL A FUNDIR Y LOS GASES DE COMBUSTIÓN

65 PARÁMETROS RELEVANTES EN EL PROCESO DEFUNDICIÓN Calentamiento del metal Material a fundir (temperatura de fusión y reactividad con el ambiente), calidad y tamaño de las piezas, volumen de producción. La energía calorífica requerida es la suma de: 1) El calor para elevar la temperatura hasta el punto de fusión, 2) Calor de fusión para convertir el metal sólido a líquido 3) El calor necesario elevar al metal fundido a la temperatura de vaciado. 4) El calor transferido (perdido) al ambiente

66 Q V[ C ( ) q C ( )] s m 0 f l p m Donde: Q = Calor requerido para elevar la temperatura del metal a la temperatura de colada [J] 3 = Densidad [ Kg / m ] C s = Calor especifico del metal solido [J/Kg C] 0 q f m = Temperatura inicial, generalmente la ambiente [ C] = Calor de Fusion [J/Kg] = Temperatura de fusion del metal [ C] C = Calor especifico del metal liquido [J/Kg C] l p = Temperatura de vaciado [ C] 3 V = Volumen del metal que se calienta [m ]

67 Clasificación de las unidades de fusión (hornos) por su medio de calentamiento. Hornos eléctricos; de arco, arco indirecto, inducción y resistencia. Hornos de combustión; por el tipo de combustible, sólido (coque), líquido (diesel o petróleo), gas (natural ó LP).

68 Clasificación de las unidades de fusión (hornos) por la condición de contacto de los gases de combustión con el material a fundir El combustible está en contacto con el material; horno cubilote y alto horno Los gases están en contacto con el crisol; hornos de crisol Los gases están en contacto directo con el metal; Hornos de hogar abierto y hornos de reverbero

69 Horno de cubilote. Producción de hierro gris Manufactura II Problemas con el ajuste de la composición Se emplea en combinación con hornos de inducción los que actúan como unidades de mantenimiento de temperatura y ajuste de composición. Este horno es una unidad de proceso semicontinuo diseñada para trabajar en campañas con duración de 6 h, a varios días, en algunos casos. Se cargan por la parte superior y su longitud vertical está limitada para garantizar el calentamiento y fusión del material El metal fundido se almacena en su parte baja denominada crisol.

70 Horno de cubilote (aspectos diversos).

71 Horno de cubilote (aspectos diversos, continuación).

72 Horno de crisol. Manufactura II Se utilizan sobre todo para metales no ferrosos cuyo punto de fusión es menor a 1100 C Son hornos de ciclo discreto cuya capacidad está limitada por el tamaño del crisol En general usan gas como combustible y solamente en limitadas ocasiones emplean diesel o petróleo En general no se emplean para grandes volúmenes de producción.

73 Horno de crisol.

74 Horno de arco eléctrico. Es la unidad de fusión más utilizada para la producción de aceros El calor se genera al saltar un arco eléctrico entre un electrodo de grafito y la chatarra y por efecto Joule al circular a través del material a fundir El horno es trifásico con tres electrodos, cada uno conectado a una fase del circuito eléctrico Normalmente se trabaja a voltajes del orden de 500 V y densidades de corriente de 100 o más ampers por cm 2 de sección transversal del electrodo (lo cual representa entonces miles de ampers) Su capacidad va de unas 4 hasta 60 toneladas con tiempos de proceso de entre 2 y 3 horas.

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76 Horno de inducción. Tienen la ventaja de que el calor se genera al circular las corrientes eléctricas inducidas a través del material a fundir. No existe contaminación de ningún tipo. Manufactura II Dos principios básicos: Inducción directa o indirecta Inducción indirecta Se emplea en materiales con muy alta conductividad eléctrica como el cobre o el aluminio. Se utiliza un crisol de grafito como elemento calefactor. Existen hornos con capacidad de unos cuantos gramos hasta con capacidad de varias toneladas (60ton).

77 Horno de inducción. Manufactura II Se emplean comúnmente por la industria automotriz en la producción de piezas de fundición de hierro. En el horno rodeando al crisol se dispone de una bobina que hace las veces del primario del transformador mientras que el secundario está dado por la carga a fundir. En general la fusión en este tipo de unidades es costosa por lo que en ocasiones se emplean en combinación con otro tipo de hornos, por ejemplo cubilote.

78 Hornos de inducción. (a) Principio de operación, (b) Vaciado de un horno de inducción de alta frecuencia, (c) Horno de 5 ton/h, (b) (a) (c)

79 Hornos de inducción, Horno de inducción (1 ton) de alta frecuencia durante el vaciado de una aleación ferrosa Horno de gran capacidad [20 Ton] frecuencia de red.

80 Horno de resistencia eléctrica. Para producciones reducidas, normalmente de menos de 20 Kg por carga En metales no ferrosos con temperaturas de fusión por debajo de los 1000 C (aleaciones de aluminio, zinc y cobre). Si bien la calidad del metal fundido es elevada, el costo de la energía eléctrica y la duración de las resistencias, vuelven incosteable el empleo de este tipo de hornos en grandes volúmenes de producción. Este tipo de unidades tienen mayor aplicación en operaciones de tratamiento térmico que en fusión.

81 Horno de resistencia eléctrica Manufactura II

82 Vaciado del metal fundido (el flujo debe ser laminar durante el llenado del molde, se debe de evitar la generación de vórtices en cualquier etapa, asimismo debe de evitarse el arrastre de escoria o de arenas del molde. El metal deberá de ser desgasificado previo al vaciado).

83 El llenado del molde o matriz Éste se puede hacer por efecto de la acción de la gravedad o presión metalostática o por efecto de fuerzas adicionales generadas por la rotación del molde o por la presión aplicada por un pistón. De cualquier forma el sistema de colada deberá garantizar la formación de una pieza libre de defectos con la mayor eficiencia de metal líquido

84 Vaciado del metal fundido. Manufactura II Sobrecalentamiento mínimo posible que garantice el correcto llenado del molde La cinética de oxidación como la solubilidad de gas en el metal líquido dependen de la temperatura.

85 Vaciado del metal fundido. Manufactura II La velocidad de vaciado es el caudal con que se vierte el metal fundido dentro del molde. Si la velocidad es muy lenta, el metal puede enfriarse antes de llenar la cavidad. Si la velocidad de vaciado es excesiva provoca turbulencia y puede convertirse en un problema serio, dando lugar a porosidad en la pieza o arrastre de escoria o arena.

86 Vaciado del metal fundido. Calentamiento Temperatura de colada Vaciado La introducción del metal fundido en el molde y su flujo dentro éste es un paso crítico en el proceso. Los factores que afectan la operación de vaciado son la temperatura de vaciado, la velocidad de vaciado y la turbulencia generada durante el llenado del molde.

87 Vaciado del metal fundido. Manufactura II La turbulencia del flujo se produce al contacto del metal líquido con las paredes del molde; depende de la velocidad y de la viscosidad del metal líquido, así como de la geometría del sistema de llenado. Flujo turbulento debe evitarse, ya que provoca; mayor interacción entre metal y aire favoreciendo la formación de óxidos metálicos que pueden quedar atrapados durante la solidificación, erosión excesiva del molde por efecto del impacto del flujo de metal fundido. La turbulencia promueve que el metal líquido atrape gas y escorias afectando la calidad de las piezas producidas.

88 Vaciado del metal fundido. Capa Límite Mediante un análisis adimensional se obtuvo el llamado número de Reynolds (Re), el cual es muy significativo para caracterizar el movimiento de los fluidos como: Flujo laminar Flujo turbulento

89 Número de Reynolds (Re) Vaciado del metal fundido. Re vd Para flujo en tuberías, donde: µ- viscosidad del fluido (metal líquido, el cual depende de la temperatura) ρ- densidad del fluido v- velocidad del fluido o metal líquido D- diámetro del canal o bebedero Re 2000 Flujo laminar 2000 Re 20,000 Régimen de transición Re 20,000 Flujo turbulento Manufactura II A este le afectan factores como el gradiente de presión, la rugosidad de la superficie en contacto, la transferencia de calor por mencionar algunos.

90 Simulación del llenado mediante paquetería comercial [software: QuikcastTM, Flow 3D cast, SolidCast Casting, FLOWCast, OPTICast].

91 Sistema de llenado (colada) y alimentación (mazarotas).

92 Sistema con mazarota ciega.

93 Colada y mazarota en serie. Manufactura I Semestre de agosto de 2017

94 Solidificación y enfriamiento. Manufactura II Tiempo de enfriamiento del metal Contracción Solidificación direccional Diseño de las mazarotas Diseño de la colada

95 Solidificación y enfriamiento. Manufactura II Tiempo de colada debe de ser menor del tiempo para el inicio de la solidificación. El tiempo a la solidificación depende del sobrecalentamiento y del flujo de calor al molde y al ambiente

96 Solidificación y enfriamiento. Manufactura II

97 Espiral utilizada para evaluar fluabilidad.

98 Solidificación y enfriamiento. Manufactura II Canal espiral propuesto por AFS para evaluar la fluabilidad del material (todas las medidas en pg)

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100 Solidificación y enfriamiento.

101 Solidificación y enfriamiento. Manufactura II

102 Flujo laminar (conservación de energía), siendo una aproximación para la fundición. Primer análisis empleando para tal la ecuación de Bernoulli Esto se puede escribir como: h P v P v g 2g g 2g h 2 h = Altura [m] 2 P = Presion en el liquido [N/m ] 3 = Densidad [ Kg / m ] v = Velocidad de Flujo [m/s] 2 g = aceleracion gravitatortia [m/s ] ** Los subindices 1 y 2 indican dos puntos cualesquiera en el flujo del liquido

103 Se asume que entrada y salida están a la presión atmosférica en toda su extensión, entonces la ecuación puede reducirse a: h v v h2 2g 2g La cual puede emplearse para determinar la velocidad del metal fundido en la base del bebedero de colada (ecuación de Torricelli): v 2gh donde: v = Velocidad del metal liquido en la base del bebedero [m/s] g 2 = aceleracion gravitatortia [m/s ] h = Altura del bebedero [m]

104 Otra relación de importancia durante el vaciado es la ecuación de conservación de masa y dado que la densidad se considera constante entonces: donde: V v A V v A v A = Velocidad de flujo volumetrico [m /s] = Velocidad [m/s] 2 = Area de la seccion transversal del liquido [m ] ** Un incremento en el área produce una disminución en la velocidad y viceversa

105 Diseño de la colada. Para el diseño de las coladas, a partir de la ecuación de Toriccelli se puede conocer la velocidad del metal líquido al colar por gravedad v 2gH Donde: v velocidad del metal líquido m / s 2 aceleración de la gravedad m/ s g H altura del bebedero promedio en función de las condiciones de alimentación m

106 Diseño de la colada. Considerando la masa de la total a depositar al interior de la cavidad, se puede calcular un tiempo de duración de la colada. La ecuación anterior es válida para piezas con una masa hasta de 450[Kg] (y paredes de 2.5 a 15[mm]). Donde: t s M t duración de la col ada[] s s coeficiente que considera el espesor de las paredes de la pieza M masa de la pieza y la mazarota Kg La ecuación anterior es válida para piezas con una masa hasta de 450[Kg] (y paredes de 2.5 a 15[mm]).

107 Diseño de la colada. Valores del factor s. Espesor de las paredes de la pieza [mm] s

108 Diseño de la colada. Para piezas medianas y grandes con una masa hasta de 1000[Kg] y para fundiciones donde el material es acero (debido a la alta viscosidad que presenta este) la ecuación experimental utilizada es. Donde: espesor de la pieza mm 3 t s M δ [mm] s Hasta y mayores 1.7

109 Diseño de la colada. A partir de la ecuación que describe el flujo volumétrico Donde: 3 densidad del metal Kg / m Q va M Q va t

110 Diseño de la colada. Como la velocidad real del metal líquido es menor debido a las pérdidas por la fricción con la pared del molde, entonces se tiene que: vr v Donde es un factor debido a las pérdidas antes mencionadas, determinado basándose en datos empíricos. Toma valores que por lo general oscilan entre 0.75 y 0.85 (en promedio 0.8). Para piezas con espesores hasta los 10[mm] este factor tiene una magnitud de 0.34.

111 Diseño de la colada. Finalmente el área de la sección transversal de la colada se obtiene mediante la ecuación: A M gh 1/2 t

112 Diseño de la colada. Por la magnitud de la sección transversal de la colada, se puede relacionar en forma proporcional la superficie del colector de escoria así como de las compuertas de alimentación de las piezas, esto con el fin de garantizar un flujo volumétrico del material constante.

113 CAPÍTULO Métodos de Fundición o Colada a) Pieza con espesores delgados Diseño de la colada. b) Pieza con espesores medianos y pequeños

114 CAPÍTULO Métodos de Fundición o Colada Diseño de la colada. c) Pieza con espesores medianos y grandes d) Pieza con espesores grandes donde: 2 Acolada ó A área de la sección transversal de la colada m 2 Aescoria área de la superficie del canal del colector de escoria m 2 área de la sección transversal de las compuertas de alimentación m Aescoria

115 Diseño de la colada. Ejemplo: Se va a fabricar una pieza en una fundición en hierro gris, el cual tiene una densidad de 7150[kg/m 3 ]. La semicajas de las que se compone la caja de moldeo, tienen una altura cada una de 6[in]. La cavidad a reproducir se encuentra totalmente en la semicaja inferior y posee espesores de 10[mm] así como una masa de 40 [kg]. Diseñe la colada para el óptimo llenado de la pieza.

116 Número de Reynolds Describe si el flujo es turbulento Diseño de Colada Manufactura II Número de Webber Describe la tendencia de la superficie del flujo a presentar turbulencia, éste deberá ser minimizado La velocidad crítica para todos los metales es del orden de 0.5 m/s

117 Diseño de Colada Tiempo de vaciado (colada) La velocidad crítica para todos los metales es del orden de 0.5 m/s

118 Diseño de Colada Tiempo de vaciado (colada) La velocidad crítica para todos los metales es del orden de 0.5 m/s Relación 1:4:4 para aleaciones de aluminio 1:2:2 para hierro gris (nodular)

119 Diseño de Colada Tiempo de vaciado (colada) Relación 1:4:4 para aleaciones de aluminio 1:2:2 para hierro gris (nodular) La velocidad crítica para todos los metales es del orden de 0.5 m/s

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122 Proponer distribución en el molde, número de piezas (cajas de 14x14 pg y de 12 x14 pg y Calcular Colada. Material, hierro nodular.

123 Solidificación Manufactura II Rechupe superficial Enfriamiento con templadera (metal chill) Metal chill

124 Solidificación y enfriamiento. Manufactura II La velocidad de solidificación va a influir en la microestructura y la rapidez de colada La solidificación direccional ocurre cuando los gradientes térmicos en la pieza crean un perfil de solidificación de la parte más alejada y ésta progresa en dirección de los puntos de llenado En este caso siempre existirá metal líquido a disposición para compensar la contracción por solidificación El gradiente térmico se afectará por el diseño de la pieza (geometría), diseño del molde y calentamiento y enfriamiento controlados.

125 Solidificación Manufactura II

126 Tiempo de solidificación. El tiempo de solidificación depende del tamaño y de la forma de la fundición expresada por una relación empírica conocida como regla de Chvorinov que establece: V ts Cm A donde: t = Tiempo de solidificacion total [min] s 3 V = Volumen de fundicion [m ] 2 A = Area superficial de la fundicion [m ] n = Exponente que toma usualmente el valor de 2 C = Constante del molde m n

127 Tiempo de solidificación. Dado que n = 2, las unidades de C m son (min/m 2 ). El valor de C m, depende de las condiciones particulares de la operación de fundición: -Material del molde (calor específico y conductividad térmica). -Propiedades térmicas del metal de fundición (calor de fusión, calor específico y conductividad térmica). -Temperatura relativa de vaciado con respecto al punto de fusión del metal. El valor de C m para una operación dada se puede basar en datos experimentales de operaciones previas con el mismo material de molde, metal y temperatura de vaciado, incluso cuando la forma de la parte haya sido diferente.

128 Tiempo de solidificación. La regla de Chvorinov indica que una fundición con una relación de volumen/área superficial se enfriará y solidificará más lentamente que otra con una relación más baja. Este principio ayuda en el diseño de la mazarota el molde (sistema de alimentación) y de la colada. Para cumplir su función de alimentar metal fundido a la cavidad principal, el metal en la mazarota debe permanecer en fase líquida más tiempo que el de la fundición. En otras palabras, el tiempo de solidificación para la mazarota debe exceder el de la pieza (fundición principal). Por otra parte el tiempo de inicio de solidificación deberá de ser mayor del necesario para el llenado de la pieza.

129 Diseño de la mazarota. El tiempo de solidificación de la mazarota debe ser mayor al de la pieza: t t s mazarota s mazarota t s pieza t s pieza n V Cm A mazarota mazarota V V A A ; 1.1 a 1.25 pieza C m V A n pieza

130 Diseño de la mazarota. La geometría que ofrece la relación más alta volumen/superficie es el cilindro, por lo que se usará para diseñar la(s) mazarota(s) y que se determinan mediante: V mazarota 2 h 4 (2) 4 2 Amazarota Atapas Alat h diámetro mazarota [m] h altura mazarota [m] Su altura está limitada por la altura de la semicaja superior, quedando como única incógnita su diámetro.

131 Diseño de la mazarota. diámetro mazarota [m] h altura mazarota [m] h V 2 4h A pieza Única incógnita: diámetro ϕ. h=altura definida por el diseñador en función de la altura de la semicaja superior

132 Tiempo de solidificación. Manufactura II Si el diseño de la mazarota incluye una relación de volumen a área más grande, se puede estar seguro de que la fundición principal solidificará primero y se reducirán los efectos de la contracción. Antes de considerar el diseño de la mazarota mediante la regla de Chvorinov es necesario tomar en consideración la contracción, razón por la cual se necesitan las mazarotas. Ecuación de Chvorinov

133 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. 3) Contracción térmica de la fundición solidificada durante el enfriamiento hasta la temperatura ambiente.

134 Descripción del proceso de contracción considerando una condición axisimétrica y un molde abierto.

135 Tipos de rechupe por solidificación

136 Tipos de rechupe por solidificación Mazarota cilíndrica H=2D

137 Diseño de la mazarota. La mazarota se usa en un molde de fundición para alimentar metal líquido al proceso durante el enfriamiento y compensar así la contracción por solidificación. La mazarota debe permanecer líquido hasta después de que la fundición solidifique. Diseño. Para satisfacer este requerimiento se puede calcular el tamaño de la mazarota usando la regla de Chvorinov.

138 Ejemplos. Manufactura II Un molde tiene una colada de 6[in]. El área de la sección transversal en la base de la colada o bebedero es de 0.5[in 2 ]. El canal conduce al material a una cavidad que forma la mazarota y la pieza con un volumen de 75[in 3 ]. Determine: a) El tiempo de llenado de la pieza (MFT). b) Diseñe la mazarota, si la pieza es en forma de placa, de longitud de 6[in] x 5[in] de ancho y 1.5 [in] de espesor y la mazarota deberá tener una altura 1.5 veces el diámetro y deberá solidificar en un tiempo 30% más del de la pieza. Se trata de una pieza de hierro gris.

139 Ejemplos. Una fundición de aluminio tiene forma cilíndrica con 10[cm] de diámetro y pesa 60[N]. Ésta fundición tarda 4[min] en solidificar completamente. Otra fundición cilíndrica del mismo aluminio, con la misma relación diámetro/altura, pesa 32[N] y solidifica en 2[min] bajo las mismas condiciones de vaciado y molde. Determine: a) La constante del molde (Cm). b) El exponente (n) en la regla de Chorinov. Considere para lo anterior que la densidad del aluminio es de 2.7 (g/cm 3 )

140 Ejemplos. Manufactura II Un molde tiene un bebedero de colada de 0.2[m] y el área de la sección transversal de la base es de [m 2 ]. El bebedero alimenta un canal horizontal que conduce a la cavidad del molde cuyo volumen es [m 3 ]. Calcular: a) La velocidad del metal líquido en la base del bebedero de colada. b) El flujo volumétrico. c) El tiempo de llenado del molde (MFT). Se trata de una fundición nodular

141 Ejemplos. Manufactura II Deben diseñarse una mazarota cilíndrica para un molde en arena. La fundición es una placa rectangular de acero con dimensiones [m] x 0.127[m] x [m]. En observaciones previas se ha indicado que el tiempo de solidificación total (TST) es de 1.6 [min]. La mazarota cilíndrica debe tener una relación de diámetro/altura igual a uno. Obtener: El diámetro y altura de la mazarota si el TST de la mazarota es de 2[min].

142 Molde permanente o matriz Fundición a presión (Pressure die casting) Colada por gravedad en matriz (Die casting) Colada a baja presión (Low pressure die casting) Mayor conductividad térmica de las matrices con relación a los moldes, por consecuencia menores tiempos de solidificación y de colada, entonces mayores velocidades de llenado de los moldes.

143 Matrices, (a) Colada por gravedad, (b) Inyección.

144 Pistón de aluminio Pistón de Aluminio. (a) De fundición; (b) Después de maquinado.

145 Colada en matriz. Manufactura II Se caracteriza por el empleo de moldes metálicos (matrices) producidos en hierro gris o acero. Este tipo de proceso se emplea para lotes grandes de producción de piezas medianas cuya geometría permite su llenado por acción exclusiva de las fuerzas de gravedad (por ejemplo pistones automotrices).

146 Fundición a presión ó inyección de metales: Piezas medianas y pequeñas (desde unos gramos hasta unos 50 Kg). Metales y aleaciones de bajo punto de fusión (generalmente menor a 650 C; aleaciones de aluminio y de zinc). Geometrías complejas y espesores pequeños (del orden de unos cuantos mm) Cavidades simples [los corazones son de acero] Manufactura II Lotes de producción muy grandes (mínimo del orden de unas piezas). Se caracteriza por su reducido costo de operación, aunado a excelentes acabados y tolerancias cerradas.

147 Fundición a presión ó inyección de metales: Cámara Caliente (menor de 400 C) El pistón de inyección está inmerso en el metal líquido se emplea para metales con temperaturas de inyección por debajo de 450 C, en pesos normalmente menores a 3 Kg. Cámara Fría Cámara fría. Éstas se utilizan hasta temperaturas de trabajo de hasta 800 C y masas de hasta 50 Kg. En estos procesos en el 90% de los casos se cumple con: Para lotes mayores a 10,000 piezas, espesores no mayores a 3 mm, sección transversal menor a100 cm 2 Geometrías complejas pero cavidades simples

148 Manufactura I Semestre de agosto de 2017 Fundición a presión ó inyección de metales:

149 Máquina para inyección de metales, Descripción esquemática del proceso.

150 Fundición a presión Cámara fría f p A A c iny pieza coladas Manufactura II Fuerza de cierre: 1,000 1,600 Ton Fuerza de inyección en función del metal (temperatura, composición) y de las pieza(s) a inyectar (geometría, espesores).

151 Fundición a presión Cámara fría Manufactura II

152 Fundición a presión Cámara caliente Manufactura II Fuerza de cierre 160 Ton

153 Fundición a presión Cámara caliente Manufactura II

154 Fundición prensada (squeeze casting) Desarrollada en la segunda mitad del siglo XX (hacia 1960) Involucra la solidificación del metal bajo alta presión; combina forja con colada, afinando la microestructura y obteniendo mejores propiedades mecánicas. a). Descripción esquemática, b) Piezas producidas por squeeze casting.

155 Fundición prensada (squeeze casting)

156 Fundición a baja presión (low pressure casting); Moldes de grafito o también matrices metálicas. El llenado es en flujo laminar por la parte inferior del molde, La presión necesaria para que el metal ascienda y llene el molde se aplica a través de un gas inerte. La microestructura obtenida garantiza excelentes propiedades mecánicas. Este proceso se puede emplear tanto para los blocks de motor como para las ruedas.

157 Fundición a baja presión (low pressure casting).

158 Fundición a baja presión Manufactura II Fundición a Baja Presión de Ruedas de Ferrocarril

159 Fundición a baja presión Manufactura II

160 Centrifugado y semicentrifugado: Llenado del molde por la acción de las fuerzas generadas por la rotación de éste. Estos permiten la obtención de piezas sanas (eliminación de defectos) y la disminución o en su caso la eliminación de conductos de llenado y mazarotas. Centrifugado Eliminación de corazones o machos Semicentrifugado Permite eliminar mazarotas y prácticamente la totalidad de las alimentaciones.

161 Centrifugado. a) en eje horizontal; b) Máquina para centrifugado vertical.

162 Centrifugado. Manufactura II P 2 a R F ma N A l m Pieza sólida. m s l R F m R 4 P A l l l R F m R 4 P A l l 2 2 R 2R R 1 2 P R 4 4 2

163 Centrifugado. Manufactura II 2 2 N 2 2 P Rext Rint P Rext Rint 2 Factor de centrifugado ( G) G G donde R g v Rg NR 60 Rg R radio de la pieza g aceleración de la gravedad densidad Pieza hueca. N revoluciones por minuto velocidad angular N R 900g

164 Fundición por centrifugado Manufactura II

165 Fundición por centrifugado Manufactura II

166 Fundición por centrifugado Manufactura II

167 Automatización. Impresora 3D para corazones y moldes en arena. Permite pasar del archivo CAD al molde[prometal RCT].

168 Automatización. Manufactura II 1. Binder print: La cabeza de impresión recorre la superficie donde se encuentra la arena con el activador (aglomerante). 2. New Layer: Una vez impresa una capa la plataforma desciende para imprimir la siguiente.

169 Automatización. Manufactura II 3. Sandjob: Una nueva capa de arena activada es aplicada a la superficie. 4. Repeat: Las etapas anteriores se repiten hasta que se concluye la pieza.

170 Automatización. Manufactura II 5. Finishing: Se remueve la arena que no se ha adherido y se ensamblan las piezas en el molde para proceder al vaciado.

171 Genera desechos Gran huella de carbón Permite el reciclado de metales Tendencia Reducir el empleo de aleaciones que demanden elevadas temperaturas de colada, las cuales en su mayoría han sido sustituidas por aleaciones de aluminio. Se ha buscado modificar los químicos empleados sobre todo como aglomerantes haciendo estos más eficientes (se requiere menor porcentaje de resinas por tonelada de arena), reduciendo las emisiones generadas durante el endurecimiento y el vaciado del metal. Tendencia al uso de aglomerantes inorgánicos. Manufactura II Sustentabilidad de la fundición. Búsqueda de aplicaciones para las arenas y escorias a las cuales no solo se les ha encontrado uso como rellenos sino como fuente de minerales para los suelos agrícolas.

172 Gracias por su atención udiatem Fac. Ingeniería, UNAM Unidad de Investigación y Asistencia Técnica en Materiales

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175 Manufactura I Semestre de agosto de 2016