INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

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1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECANICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO CALCULO DE ALIMENTACIÓN DE PIEZAS FUNDIDAS DE HIERRO COLADO GRIS, POR EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: INGENIERO MECÁNICO PRESENTA: Agustín García García ASESORES: M. EN I. Jesús García Lira ING. Juan José Arenas Romero

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3 AGRADECIMIENTOS QUIERO EXPRESAR MI AGRADECIMIENTO A mi madre, a quien le agradezco sus sacrificios, su apoyo y comprensión para que yo lograra terminar mi carrera profesional. A la familia Santiago García, quienes me apoyaron durante toda la carrera en las buenas y en las malas, ya que el apoyo moral que me brindaron me sirvió para seguir adelante. A mis profesores, por haberme transmitidos sus conocimientos y experiencias. Al Ing. Juan José Arenas Baena y M. en I. Jesús García Lira, gracias por aceptar ser mis asesores, por brindarme su apoyo incondicional y sugerencias respecto a este trabajo. A mis amigos de ESIME por haber estado en los buenos y malos momentos brindándome su apoyo con el fin de superarme. A Dios por permitirme terminar mi carrera. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL

4 ÍNDICE GENERAL Índice general Índice general Objetivo Justificación Introducción I V VI VII Capítulo I Marco teórico I.1 Fundición 1 I.2 Clasificación de los hierros colados 2 I.2.1 Hierros colados o fundiciones 2 I.2.2 Propiedades generales de los hierros colados 5 I.2.3 Hierro Blanco 6 I.2.4 Hierro maleable 9 I.2.5 Hierro gris 12 I.2.6 Hierro nodular 16 I.3 Microestructuras del hierro colado 19 I.4 Principales elementos de aleación del hierro colado 19 I.5 Propiedades y características de fundiciones grises 21 I.5.1 Influencia del grafito en las propiedades de las fundiciones grises 21 I.5.2 Propiedades generales de las fundiciones grises 24 I.6 Defectos que se producen en la fundición gris 28 I.6.1 Porosidades 28 I.6.2 Rechupe 29 EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL I

5 ÍNDICE GENERAL I.6.3 Cavidades de contracción 29 I.6.4 Sopladuras 31 I.7 Ventajas de las fundiciones grises 31 Capítulo II Métodos de fabricación II.1 Procesos de fundición 33 II.2 Modelo y corazón 34 II.2.1 Consideraciones para un modelo 39 II.2.2 Materiales para modelos 41 II.2.3 Terminología para un modelo 42 II.2.4 Tipos de modelo 43 II.3 Arenas para fundición 44 II.3.1 Arena en verde 44 II.3.2 Propiedades de las arenas 45 II.4 Molde 49 II.4.1 Tipos y características del moldeo 50 II.4.2 Transferencia de calor en el molde 52 II.5 Hierro colado 55 II.5.1 Tipo de hierro gris utilizado 55 II.5.2 Tipo de fundición ( Sand casting ) 56 II.5.3 Modelo 57 II.5.4 Molde 58 II.5.5 Convección 59 Capítulo III Propiedades y cálculos del sistema de alimentación III.1 Constitución de una válvula de compuerta 60 EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL II

6 ÍNDICE GENERAL III.1.1 Vistas de la válvula 61 III.1.2 Vista del sistema de alimentación 62 III.2 Mecanismos de solidificación 63 III.3 Solidificación direccional 64 III.3.1 Tiempo de solidificación 65 III.3.2 Contracción de solidificación 66 III.4 Sistema de alimentación 67 III.4.1 Componentes de un sistema de alimentación 67 III.4.2 Defectos de una mala alimentación y causas 70 III.5 Calculo del sistema de alimentación 72 III.5.1 Basín 72 III.5.2 Bebedero 73 III.5.3 Pozo 75 III.5.4 Canal de alimentación 75 III.5.5 Ataques 76 III.5.6 Mazarota 77 III.6 Calculo de tiempo de solidificación del sistema 78 III6.1 Bridas de la válvula 79 III Calculo del volumen de la brida macho 79 III Calculo del área de las brida macho 79 III Calculo de las bridas laterales 80 III.6.2 Mazarotas 82 III Calculo del volumen de las mazarotas 82 III Calculo del área de las mazarotas 82 III.6.3 Canal de alimentación 84 EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL III

7 ÍNDICE GENERAL III Calculo del volumen del canal de alimentación 84 III Calculo del área del canal de alimentación 84 Capítulo IV Análisis e interpretación de resultados IV.1 Obtención de resultados 86 Conclusiones 103 Recomendaciones Posteriores 105 Bibliografía 106 Índice de figuras Índice de tablas IX XII EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL IV

8 OBJETIVO OBJETIVO GENERAL Diseñar y calcular el sistema de alimentación para una válvula de hierro colado gris, por el método de solidificación direccional, mediante la transferencia de calor por convección, así mismo reducir posibles defectos de fundición en dicha válvula que es usada en la industria en general. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL V

9 JUSTIFICACIÓN JUSTIFICACIÓN En México la metodología actual se basa en el empirismo por lo cual no asegura la calidad total de las piezas a fundir, es por ello que cabe la necesidad de optimizar y mejorar el sistema actual, implementando la metodología pertinente para dicho proceso. Esta investigación considera los gradientes de temperatura que ocurren en el proceso de solidificación de un metal, generando dilataciones no homogéneas en el material que ha sido vaciado en el molde en estado líquido, las que a su vez causan defectos por contracción, porosidades y rechupes, por tal motivo se producen pérdidas económicas. El módulo de elasticidad y el límite de fluencia se consideran dependientes de la temperatura en el modelo, es decir, del ciclo térmico, en cada punto del material colado. En consecuencia, se considera que estas propiedades mecánicas varían en función de la velocidad y el tiempo de solidificación, originando la aparición de defectos y deformaciones del material. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL VI

10 INTRODUCCION INTRODUCCIÓN En base al Método científico se diseñará y se calculara un Sistema de Alimentación para la fundición de una válvula de hierro colado gris, con la finalidad de reducir defectos de fundición. Para analizar esta problemática es necesario mencionar que este estudio se hará mediante la transferencia de calor por convección que consiste en la cantidad de calor liberado en función directa de la superficie en contacto, dejando por un lado la transferencia de calor por conducción y radiación, ya que se propone como una recomendación posterior a este trabajo. Una característica principal de la fundición es su sistema de alimentación ya que es de vital importancia que esta tenga las propiedades adecuadas para su óptimo funcionamiento es por ello el interés de su diseño. El proyecto se desarrolla sobre la fundición de una válvula debido a las diversas aplicaciones que la demandan dentro de una industria petrolera, sin embargo mediante los parámetros establecidos dentro de este estudio, se podrán tomar en cuenta para el diseño de sistemas de alimentación de diversas piezas de fundición. La investigación se realizó por el interés de la alta inversión para la obtención de dichas piezas que apenas salidas de los moldes, resultan inadecuadas para su empleo debido a los defectos que presenta tales como: junturas, sopladuras, rechupes, cavidades de escorias, resaltos, deformación, salpicaduras, colada incompleta. Estos rechazos contribuyen en gran manera a mantener, en un nivel superior, el precio medio de las piezas de fundición, cabe mencionar que en este trabajo se omitirán los costos de producción. El estudio se realizó mediante la consulta, principalmente de libros, relacionados en procesos de manufactura, tecnología de la fundición y transferencia de calor. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL VII

11 INTRODUCCION En el capítulo I se realiza lo antecedentes históricos de un proceso de fundición desde su definición hasta las consideraciones de cálculo y diseño de un sistema de alimentación, así mismo los parámetros que se deben tomar para su correcta realización. En el capítulo II se analizan los parámetros específicos de una válvula de hierro colado así como su sistema de alimentación, dimensionamiento. En el capítulo III se hace referencia a la constitución de la válvula y su canal de alimentación, se realizan los cálculos del sistema y el tiempo de solidificación. En el capítulo IV se desarrollan las conclusiones del sistema, la importancia de su aplicación y las recomendaciones posteriores. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL VIII

12 CAPÍTULO I MARCO TEORICO Capítulo I MARCO TEORICO I.1 Fundición Se denomina fundición a un tipo de aleaciones hierro-carbono en las que el contenido en carbono es superior al 2 %, teniendo habitualmente un valor entre el 2,5 % y 4,5 % en peso, y con la presencia de silicio, generalmente con porcentajes entre 1% y 3%. A menudo lleva pequeños porcentajes en elemento de aleación como el manganeso, azufre o fósforo. En algunos casos es posible encontrar fundiciones especiales con alto contenido en elementos de aleación, como son el níquel, cromo o manganeso, para mejorar las propiedades mecánicas o producir estructuras martensítica. La aplicación de las fundiciones siempre es para la fabricación de piezas por moldeo, en moldes de arena o metálicos. Aunque las piezas se pueden colar directamente desde los altos hornos, obteniéndose arrabio, en la mayoría de las ocasiones se utilizan fundiciones de segunda fusión, preparada para controlar la composición. Esta fundición de segunda fusión se puede preparar en: 1) Hornos eléctricos, para fundiciones de calidad 2) Hornos de reverbero, para fundiciones de piezas grandes 3) Cubilotes, hornos donde se obtienen la mayor parte de las fundiciones. Las fundiciones se caracterizan por que la mayoría de ellas presentan grafito en su estructura. Esto es debido a que la cementita (Fe 3 C), que es un compuesto meta estable, en presencia de un elemento formador de grafito (grafitizador), como el silicio, y a velocidades de enfriamiento y solidificación lentas se disocia en sus dos componentes estables, ferrita y grafito. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 1

13 CAPÍTULO I MARCO TEORICO Los hierros colados, como los aceros, son básicamente aleaciones de hierro y carbono. En relación con el diagrama de fases hierro-carburo de hierro, los hierros fundidos contienen más cantidad de carbono que la necesaria para saturar austenita a la temperatura eutéctica; por tanto, contienen entre 2 a 6.67% de carbono. Con su alto contenido de carbono tiende a hacerse muy frágil, la mayoría de los tipos de hierros manufacturados tienen un intervalo de 2.5 a 4% de carbono. La ductilidad del hierro colado es muy baja y éste no puede laminarse, estirarse o trabajarse a temperatura ambiente. La mayoría de los hierros no son maleables a cualquier temperatura, sin embargo, a veces funden fácilmente o pueden fundirse en formas complicadas que generalmente se maquinan a dimensiones finales. Aunque los hierros colados comunes son frágiles y tienen más bajas propiedades de resistencia que la mayoría de los aceros, son baratos, pueden fundirse más fácilmente que el acero y tienen otras propiedades útiles. Además, mediante una aleación apropiada, buen control de la fundición y un tratamiento térmico adecuado, las propiedades de cualquier tipo de hierro pueden variar ampliamente. I.2 CLASIFICACION DE LOS HIERROS COLADOS I.2.1 HIERROS COLADOS O FUNDICIONES Los hierros colados o fundiciones los podemos obtener en hornos eléctricos, hornos de cubilote, partiendo del arrabio (sólido) obtenido en un alto horno, chatarra sólida de acero, ferroaleaciones (FeSi, FeMn, etc.), retorno de piezas y coladas. Los hierros colados, como los aceros, son aleaciones de hierro y carbono y silicio, manganeso, fósforo, azufre, etc. y su contenido de carbono es de 2 a 4.5 %, adquiriendo su forma definitiva directamente por colada, no siendo nunca los hierros EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 2

14 CAPÍTULO I MARCO TEORICO sometidos a procesos de formación plástica ni en frío ni en caliente. En general no son dúctiles ni maleables y no pueden forjarse ni laminarse. A continuación se clasificaran la fundiciones de dos formas diferentes: primero de acuerdo a su fractura y luego, por su microestructura. Por su fractura. El criterio es el aspecto de las fracturas que presentan al romperse los lingotes de hierro, obtenidos en el horno alto colados en arena. Por el aspecto que tienen después de rotas las piezas fundidas, se clasifican en: fundición gris, blanca y atruchada. La fundición gris contiene, en general mucho silicio, 1 a 3,8 %; la blanca poco silicio, generalmente menos del 1 %, y la atruchada tiene, comúnmente, un contenido de silicio intermedio, variable de 0,6 a 1,5 %. El color oscuro que tienen las estructuras de las fundiciones grises y atruchadas, se debe a la presencia en las mismas de gran cantidad de láminas de grafito. El contenido en silicio de las aleaciones hierro - carbono y la velocidad de enfriamiento, tienen gran influencia en la formación de una u otra clase de fundición. Las velocidades de enfriamiento muy lentas favorecen la formación de fundición gris; el enfriamiento rápido tiende en cambio, a producir fundición blanca. Finalmente, el azufre y el manganeso ejercen también una cierta influencia contraria a la del silicio, y favorecen la formación de fundición blanca. Sin embargo, el manganeso y el azufre, cuando se encuentran formando inclusiones no metálicas de sulfuro de manganeso, no ejercen influencia favorable ni desfavorable en la formación de grafito, ni en la aparición de fundiciones grises o blancas. Además de estos tres tipos de fundición, se fabrican también desde hace muchos años (1722 aproximadamente) las fundiciones maleables. Éstas, en lugar de obtenerse por simple fusión, como las que acabamos de citar, se obtienen la fundición maleable, en la que el grafito tiene forma nodular. En la actualidad existen también, como ya hemos dicho antes, además de estas cuatro clases, algunos otros tipos como las fundiciones aleadas o especiales. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 3

15 CAPÍTULO I MARCO TEORICO Éstas se han comenzado a fabricar recientemente y complican algo el estudio clásico de las cuatro clases que acabamos de citar. Por su microestructura. Las fundiciones que se obtienen en los hornos altos y en los cubilotes se pueden clasificar de acuerdo con la microestructura en tres grandes grupos: 1 Fundiciones en las que todo el carbono se encuentra combinado, formando cementita y que al romperse presentan fracturas de fundición blanca. 2 Fundiciones en las que todo el carbono se encuentra en estado libre, formando grafito. Las cuales son llamadas fundiciones ferríticas. 3 Fundiciones en las que parte del carbono se encuentra combinado formando cementita y parte libre en forma de grafito. A este grupo, que es el más importante de todos, pertenecen la mayoría de las fundiciones que se fabrican y utilizan normalmente, como son las fundiciones grises atruchadas, perlíticas, etc. Es interesante señalar que en la práctica es muy difícil encontrar fundiciones en las que todo el carbono aparezca en forma de grafito, como se acaba de indicar, para las fundiciones del segundo grupo. Sin embargo, se cita esta clase de fundición que casi puede considerarse como teórica, porque creemos que señalándolas se facilita el estudio de todas las demás clases. Las fundiciones de este grupo reciben el nombre de fundiciones grises ferríticas, y en ellas todo el carbono se encuentra en forma de grafito. Con un criterio amplio, también se podría incluir en este segundo grupo, aunque no encajen exactamente en él, las fundiciones maleables, cuya matriz es de ferrita y en las que el grafito se presenta en forma de nódulos. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 4

16 CAPÍTULO I MARCO TEORICO I.2.2 PROPIEDADES GENERALES DE LOS HIERROS COLADOS El empleo de los hierros colados en piezas para sus usos muy diversos, ofrecen las siguientes ventajas: 1. La piezas de hierro colado son en general más baratas que las de acero (es el material que más se utiliza en los talleres y fábricas de maquinaria, motores, etc.) y su fabricación es también más sencilla por emplearse instalaciones menos costosas y realizarse la fusión a temperaturas relativamente poco elevadas y más bajas que las que corresponden al acero. 2. Los hierros colados son en general mucho más fáciles de mecanizar que los aceros. 3. Se pueden fabricar con relativa facilidad piezas de grandes dimensiones y también piezas pequeñas y complicadas, que se pueden obtener con gran precisión de formas y medidas, siendo además en ellas mucho menos frecuente la aparición de zonas porosas que en las piezas fabricadas con acero. 4. Para numerosos elementos de motores, maquinaria, etc., son suficientes las características mecánicas que poseen los hierros. Su resistencia a la compresión es muy elevada (50 a 100 kg/mm 2 ) y su resistencia a la tensión (puede variar de 12 a 90 kg/mm 2 ) es también aceptable para muchas aplicaciones. Tienen buena resistencia al desgaste y absorben muy bien (mucho mejor que el acero), las vibraciones de máquinas, motores, etc., a que a veces están sometidas. 5. Su fabricación exige menos precauciones que la del acero y, sin necesidad de conocimientos técnicos muy especiales, se llegan a obtener hierros con características muy aceptables para numerosas aplicaciones. 6. Como las temperaturas de fusión de los hierros son, como se ha dicho antes, bastante bajas, se pueden sobrepasar con bastante facilidad, por lo que en general suele ser bastante fácil conseguir que los hierros en estado líquido tengan fluidez, y con ello se facilita la fabricación de piezas de poco espesor. En la EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 5

17 CAPÍTULO I MARCO TEORICO solidificación presentan menos contracción que los aceros y además su fabricación no exige como la de los aceros, el empleo de refractarios relativamente especiales de precio elevado. El mejor método para clasificar el hierro es de acuerdo con su estructura metalográfica. Las variables a considerar que dan lugar a los diferentes tipos de hierro son: El contenido de carbono, el contenido de aleación y de impurezas, la rapidez de enfriamiento durante o después de la solidificación y el tratamiento térmico después de fundirse. Estas variables controlan la condición del carbono y también su forma física. El carbono puede estar combinado en forma de carburo de hierro en la cementita, o existir como carbono sin combinar (o libre) en forma de grafito. La forma y distribución de las partículas de carbono sin combinar influirá grandemente en las propiedades físicas del hierro. I.2.3 HIERRO BLANCO Es aquel en la cual el carbono se encuentra combinado con el hierro, formando el carburo de hierro (Fe 3 C), llamado cementita, siendo esta cementita muy dura pero muy frágil. Tabla I.1 Composición del hierro Composición química Carbono 1.80 a 3.20% Silicio 0.50 a 1.90% EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 6

18 CAPÍTULO I MARCO TEORICO Manganeso 0.25 a 0.80% Azufre Fósforo 0.06% máx. 0.06% máx. La fundición blanca o hierro, como consecuencia de la presencia de cementita, posee alta dureza, es frágil y prácticamente no se somete a la elaboración por corte. Por eso, este hierro tiene una aplicación muy limitada. Cuando la superficie se fractura tiene una apariencia blanca cristalina que da su nombre a la fundición. Debido a la cementita, la fundición blanca es dura y frágil, y su resistencia al desgaste es excelente. Su resistencia mecánica, se observa en la tabla 1.2. Estas propiedades de la fundición blanca la hacen adaptable para aplicaciones donde se requiere resistencia al desgaste. Las zapatas para freno de ferrocarril son un ejemplo clásico. Tabla I.2 Características del hierro blanco RESISTENCIA A LA TIPO Fe C Si Mn OTROS TENSIÓN (%) (%) (%) (%) (%) Lb/pulg 2 Elongación (MPa) (%) Fundición Blanca Bajo - C Ni, 1.0 Cr 40,000 (272) Mo EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 7

19 CAPÍTULO I MARCO TEORICO Su microestructura característica del hierro blanco se observa en la Figura 1.1. Figura I.1. Microestructura de un hierro blanco fundido, (a) Las áreas oscuras son dendritas primarias de austenita transformada (perlita) en una red blanca interdendrita de cementita, 200X. (b) La misma muestra a 250X, que muestra perlita (oscura) y cementita (blanca). Atacada químicamente en Nital al 2%. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 8

20 CAPÍTULO I MARCO TEORICO I.2.4 HIERRO MALEABLE Es aquel en la cual se obtiene a partir de un hierro blanco por medio de un tratamiento térmico (recocido), obteniéndose una estructura de nódulo irregular. La presencia del carburo de hierro (cementita) es realmente una fase meta estable. Hay una tendencia a que la cementita se descomponga el hierro y carbono, pero en condiciones normales tiende a persistir indefinidamente en su forma original. Hasta este punto, la cementita se ha tratado como una fase estable; sin embargo, esta tendencia a formar carbono sin combinar es la base para manufacturar hierro maleable. Los hierros blancos adecuados para la conversión a hierro maleable pueden ser como sigue: Tabla I.3 hierros blancos Fundición Blanca Europea Fundición Blanca Americana carbono 2.50 a 3.0% carbono 2.0 a 2.75% silicio 0.50 a 1.25% silicio 0.50 a 1.20% manganeso 0.40 a 0.60% manganeso 0.40 a 0.60% azufre 0.06% máx. azufre 0.06% máx. fosforo 0.06% máx. fosforo 0.06% máx. Los productos típicos hechos con fundición maleable incluyen accesorios para tubería y bridas, algunos componentes para máquinas y partes de equipo ferroviario, tabla 1.4, y su microestructura se observa en la Figura 1.2. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 9

21 CAPÍTULO I MARCO TEORICO Tabla I.4 Características del hierro maleable RESISTENCIA A LA TIPO Fe C Si Mn TENSIÓN (%) (%) (%) (%) Lb/pulg 2 Elongación (MPa) (%) Fundición maleable Ferrítica , Perlítica (345) 10 60,000 (414) EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 10

22 CAPÍTULO I MARCO TEORICO Figura I.2. a) Hierro maleable, sin estar atacado químicamente. Los nódulos irregulares de grafito se llaman carbono revenido, 100X. b) Hierro ferrítico maleable, carbón revenido (negro) en una matriz ferrifica. Atacado químicamente en Nital al 5%, 100X. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 11

23 CAPÍTULO I MARCO TEORICO I.2.5 HIERRO GRIS El hierro gris representa el mayor tonelaje entre los hierros, tiene una composición que varía entre 2.5 a 4.0% de carbono y de 1.0 a 3.0% de silicio. Las reacciones químicas internas derivan en la formación de hojuelas de grafito (carbono) distribuidas a todo lo largo del producto fundido en la solidificación. Esta estructura es la causa de que la superficie del metal tenga un color gris cuando se fractura; de aquí el nombre de hierro gris o fundición gris. La dispersión de las hojuelas de grafito representa dos propiedades atractivas: 1). Buena amortiguación a la vibración, que es una característica deseable en motores y otras máquinas. 2). Cualidades de lubricación internas, que hacen maquinable la fundición. La mayoría de estos hierros grises son aleaciones hipo eutécticas que contienen aproximadamente la siguiente composición: Tabla I.5 Composición del hierro gris Composición del hierro gris Carbono 2.30 a 3.40% Silicio 2.00 a 2.20% Manganeso 0.60 a 0.65% Azufre Fósforo 0.06% max 0.06% max EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 12

24 CAPÍTULO I MARCO TEORICO La resistencia de la fundición gris abarca un rango significativo. La American Society for Testing Materials (ASTM) utiliza un método de clasificación para la fundición gris, que pretende suministrar las especificaciones mínimas de la resistencia a la tensión, Tabla I.6: Tabla I.6 Características del hierro gris RESISTENCIA A LA TIPO Fe C Si Mn OTROS TENSIÓN (%) (%) (%) (%) (%) Lb/pulg 2 Elongación (MPa) (%) Fundición gris Clase 20 Clase 30 Clase 40 Clase Mo 20,000 (138) 30,000 (207) 40,000 (276) 50,000 (345) La resistencia a la compresión de la fundición gris es significativamente mayor que su resistencia a la tensión. Las propiedades de las fundiciones se pueden controlar de alguna forma por tratamiento térmico. La ductilidad de la fundición gris incluye monoblocks y cabezas para motores de automóviles, caracteres y bases de máquinas herramientas, la Figura I.3. Se muestra su microestructura. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 13

25 CAPÍTULO I MARCO TEORICO Figura I.3. Microestructura del hierro gris, el grafito en forma de agujas, 200X, Nital al 5% El proceso de grafitización y la microestructura de la fundición, se puede determinar por dos factores fundamentales: EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 14

26 CAPÍTULO I MARCO TEORICO 1. La velocidad de enfriamiento de la fundición. 2. Composición química (sobre todo el silicio). En dependencia de la microestructura de la base metálica se diferencian los siguientes tipos de hierros grises: a). HIERRO GRIS PERLITICA Cuya estructura está compuesta de perlita y grafito laminar. En este hierro el contenido de carbono es de 0.7 a 0.8% y se encuentra en forma de carburo de hierro (Fe 3 C), que entra en la composición de la perlita. b). HIERRO GRIS FERRITO-PERLITICA Su estructura está formada por perlita, ferrita y grafito laminar. Este hierro ferritoperlita, en dependencia del grado de descomposición de la cementita eutectoide en estado enlazado contiene entre 0.7 a 0.1% de carbono. c). HIERRO GRIS FERRITICA Su estructura está compuesta de ferrita y grafito laminar. En este caso todo el carbono se encuentra en forma de grafito. Las propiedades de los hierros grises se determinan por la estructura de la base metálica, las dimensiones, la forma y la distribución de las inclusiones gráficas. La influencia de las inclusiones graficas se pueden valorar solamente en forma cualitativamente, cuanto mayor es la cantidad de estas inclusiones, tanto más grandes son y menos regulares están distribuidas por el volumen, tanto menor es la resistencia del hierro para una misma fase metálica. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 15

27 CAPÍTULO I MARCO TEORICO I.2.6 HIERRO NODULAR Este hierro también se le conoce como hierro dúctil, y es un hierro en la cual todo el carbono se le encuentra en forma de nódulos redondos o pequeñas bolas o esferoides. Cuya composición química es la siguiente: Tabla I.7 Composición del hierro nodular Composición del hierro nodular Carbono 3.50 a 3.90% Silicio 2.60 a 2.90% Manganeso 0.40 a 0.50% Azufre Fósforo 0.02% máx. 0.02% máx. Este hierro es de alta resistencia y se obtiene con adiciones en la fundición líquida, vertida a la cuchara de pequeñas cantidades de ciertos metales alcalinos o alcalinostérreos. Generalmente para esto se usa un 0.03 a 0.07% de magnesio. Bajo la solidificación del magnesio el grafito en el proceso de cristalización toma forma globular en vez de laminar. La tabla I.8, se indican sus propiedades. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 16

28 CAPÍTULO I MARCO TEORICO Tabla I.8 Características mecánicas del hierro nodular RESISTENCIA A LA TIPO Fe C Si Mn OTROS TENSIÓN (%) (%) (%) (%) (%) Lb/pulg 2 Elonga- (MPa) ción Fundición nodular (dúctil) ASTM A ,000 (414) 18 A ,000 (552) 3 Además en la Figura I.4, se muestra su microestructura de este hierro nodular EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 17

29 CAPÍTULO I MARCO TEORICO Figura I.4. Micrografía de un hierro nodular las partes negras indican los nódulos de grafito, 200X EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 18

30 CAPÍTULO I MARCO TEORICO I. 3 MICROESTRUCTURAS DEL HIERRO COLADO Los hierros fundidos pueden presentar las siguientes estructuras: 1. Cementita primaria y perlita solamente. Este tipo de estructuras es típico de los hierros duros, blancos, de bajo silicio y alto azufre y se encuentra también en otros tipos de hierros que han sido enfriados bruscamente. 2. Cementita primaria, grafito y perlita. Los hierros nodulares, en los cuales parte de la cementita primaria se ha descompuesto, formando grafito. 3. Grafito y perlita. Esta estructura es típica de un hierro de servicio pesado, en el cual toda la cementita primaria se ha transformado en grafito. 4. Grafito, perlita y ferrita. Típica en un hierro gris, originando que este sea más débil y blanda. 5. Grafito y ferrita. Aquí, toda la cementita ferrítica, así como la cementita se ha disociado en grafito. Esto se debe generalmente a un gran contenido de silicio. Este hierro vaciado será muy blando y fácil de maquinar. La ferrita presente contendrá silicio y manganeso disueltos. I.4 PRINCIPALES ELEMENTOS DE ALEACIÓN DEL HIERRO COLADO Molibdeno Mejora las propiedades mecánicas y es un leve estabilizador de carburos. El molibdeno se añade en cantidades de 0.25% a 1.25%, y su efecto es similar al del acero. La resistencia a la fatiga, la resistencia a la tensión, la resistencia transversal, la resistencia al calor y la dureza del hierro se mejoran. El molibdeno también retarda EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 19

31 CAPÍTULO I MARCO TEORICO la transformación de la austenita, incrementando así la templabilidad y la libertad de la presencia de fisuras y deformación. Cromo Combinado, formando complejos carburos de hierro-cromo más estables que el carburo de hierro. Pequeñas cantidades de cromo incrementan la resistencia, la dureza, la profundidad de la capa del hierro blanco y la resistencia al desgaste y al calor, pero disminuye la maquinabilidad. Manganeso La adición del manganeso disminuye la profundidad de la capa del hierro blanco hasta que el azufre ha sido neutralizado mediante la formación de sulfuro de manganeso. Por encima de esta cantidad, el manganeso incrementa la profundidad del enfriado rápido y de la dureza. Afina el grano, aumenta la maquinabilidad, su resistencia mecánica y su resistencia a la corrosión de álcalis. Silicio Baja su punto de fusión, afina el grano, aumenta su resistencia mecánica, a la corrosión, el calor, su plasticidad y proporción de carbono en estado libre. El silicio desempeña distintos propósitos, tales como: Parte del silicio es agregado durante la carga en el horno, actuando como desoxidante, pero lo más importante del silicio es que hace una gran reacción del grafito, para limitar las posibilidades de endurecimiento y cristalización de las superficies del hierro chilled (enfriado y templado superficialmente). Cobre Es un gratificador, pero sólo es una quinta parte más eficaz que el silicio a este respecto. Para aplicaciones generales en ingeniería, el contenido de cobre es de 0.25% a 2.5%. El cobre tiende a romper la cementita maciza y a hacer resistente la EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 20

32 CAPÍTULO I MARCO TEORICO matriz. Ayuda un poco a resistir el ataque del ácido sulfúrico pero para soldarse es indeseable porque a la contracción provoca grietas, fisuras o roturas. Fósforo Disminuye la profundidad de la capa de hierro blanco. Con carbono y silicio constante, un incremento de 0.1% de fósforo disminuirá la profundidad de la capa de hierro blanco en aproximadamente 0.1 pulgadas. Vanadio Es un formador de carburo muy potente, estabiliza la cementita y reduce la grafitización. Las adiciones de vanadio, entre 0.10% a 0.25%, incrementan la resistencia a la tensión, la resistencia transversal y la dureza. Níquel Es un gratificador, pero sólo como la mitad de efectivo que el silicio a este respecto. El propósito del níquel (0.5% a 6.0%) en los hierros grises es controlar la estructura retardando la transformación de la austenita, estabilizando la perlita y manteniendo el carbono combinado en la cantidad eutectoide. Así, la microestructura de un hierro fundido bajo níquel muestra grafito, perlita y muy poca ferrita. I.5 Propiedades y características de fundiciones grises I.5.1 Influencia del grafito en las propiedades de la fundición gris La estructura de hierro gris consiste de una matriz metálica y grafito, las propiedades serán determinadas por las propiedades de la matriz y de la cantidad y tipo de inclusiones de grafito. El hierro gris tiene propiedades inferiores a las del acero, las inclusiones de grafito se consideran, en primera aproximación, como EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 21

33 CAPÍTULO I MARCO TEORICO huecos o grietas. Por consiguiente, el hierro gris puede ser considerado como un acero infectado, con numerosas grietas o huecos. Las propiedades del hierro son más bajas a mayor volumen de grafito, por contribuir a un mayor número de grietas o huecos. Para un volumen igual de grafito, las propiedades del hierro son determinadas por la forma, distribución y tamaño de las partículas. Consecuentemente las propiedades del hierro serán menores a contenidos más altos de grafito y a mayor grosor de estas inclusiones, más desintegran la matriz metálica. Propiedades mecánicas deficientes se derivan de hierros en las cuales las partículas de grafito forman una red o cadena cerrada (grafito tipo E, D). Las partículas de grafito laminar se consideran como grietas o cortes pronunciados en la matriz. Por ello, ante un esfuerzo de tracción, las partes extremas de la lámina de grafito actuarán como concentradores de esfuerzos que fomentan la falla o quiebre. Ante esta consideración, las propiedades mecánicas del hierro se caracterizan por una baja resistencia debido a la propagación de la grieta. El grafito tipo A es el que da mejores características. El tipo B, disminuye la resistencia mecánica. El tipo C da resistencia al choque térmico, pero débil resistencia a la tracción. El tipo D es desfavorable porque la matriz en contacto con este se ferritiza fácilmente y da poca resistencia al desgaste. En los casos en que el esfuerzo de tensión es mínimo (por ejemplo en el caso de compresión), las propiedades del hierro resultan ser elevadas y muy próximas a las propiedades de un acero de la misma composición y estructura de la matriz del hierro. La resistencia a la compresión es tres a cuatro veces superior a la tracción. Esto es porque la resistencia a la compresión última y dureza del hierro dependen significativamente de la estructura de la matriz metálica y sus diferencias son mínimas respecto a las del acero. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 22

34 CAPÍTULO I MARCO TEORICO Las propiedades de resistencia a la rotura, la resistencia a la flexión y a la torsión, están determinadas significativamente por el contenido forma y tamaño de las partículas de grafito y difieren apreciablemente de las propiedades del acero. Por ejemplo, un hierro hipoeutéctico tiene mayor resistencia a la tracción que un hierro híper eutéctico. Los efectos de las inclusiones de grafito disminuyen con la variación de la forma, desde laminar a esferoidal, reduciéndose bruscas concentraciones de esfuerzos y la formación de grietas en la matriz va desapareciendo. Las fundiciones de grafito esferoidal tienen una resistencia a la tracción y a la flexión más alta que una fundición de grafito laminar. Los valores intermedios de resistencia se presentan en la fundición maleable. La ductilidad de las fundiciones se puede caracterizar por los siguientes valores de alargamiento relativo en porcentaje, tabla I.9: Tabla I.9 Tipos de grafitos TIPO LAMINAR VERNICULAR ESFEROIDAL % Una fundición esferoidal tiene mayor resiliencia, ductilidad y alargamiento que las fundiciones laminares. La ductilidad depende de la estructura de la matriz, los más bajos valores son típicos de las fundiciones perlíticas y los más altos de las ferríticas. La dureza Brinell determinada por la matriz puede observar la tabla I.10 Tabla I.10 Tipos de microestructuras de la fundición gris FUNDICIÓN FERRÍTICA FERRITO- PERLÍTICA PERLITA HB EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 23

35 CAPÍTULO I MARCO TEORICO I.5.2 Propiedades generales de las fundiciones grises Tal vez convenga subrayar, a modo de introducción a las propiedades, que las fundiciones grises son un material compuesto de grafito, y de otro material matriz. Este material a su vez, frecuentemente está compuesto por un intermetálico "cerámico" - la cementita -, y otro material - la ferrita - que es metálico. Las fundiciones son aleaciones férreas que requieren para su elaboración menos energía que los aceros, porque con similar capacidad calorífica su temperatura de fusión es menor. Presentan, además, excelentes características de colabilidad y dan poco rechupe. Su colabilidad es mejor cuanto mayor es su contenido de carbono, por ser pequeño el intervalo de temperaturas entre líquidos y sólidos. Algunas de ellas, las de composición eutéctica, solidifican a temperatura constante. Las fundiciones grises dan poco rechupe, 1 % de contracción lineal aproximadamente, inferior al de los aceros y fundiciones blancas, como puede verse en la tabla I.9. La pequeña contracción al solidificar se debe a que su densidad (entre 6,95 y 7,35 g/cm3, menor cuanto más carbono) es inferior a la de las fundiciones blancas (7,7 g/cm3) y a la de los aceros (densidad del hierro 7,97 g/cm3). TablaI.11 Contracción durante la solidificación (ASM) TIPO DE FUNDICIÓN % CONTRACCIÓN Fundición dúctil Fundición gris 1.0 Fundición maleable 1.0 Fundición austenítica EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 24

36 CAPÍTULO I MARCO TEORICO Fundición blanca 2.0 Acero al carbono 2.0 Acero aleado 2.5 Esta menor densidad de las fundiciones grises se justifica por la presencia del grafito cuya densidad es 2,2 g/cm 3. En las fundiciones grises el grafito suele ocupar un volumen (o un área de los campos observados al microscopio) entre 6 y 10 % del volumen total. La característica radical de las fundiciones grises es que no presentan ledeburita. En su estructura micrográfica aparece grafito que puede ser de diversos tipos, disperso en una matriz similar a un acero. El comportamiento mecánico de una fundición gris resulta parecido al de un acero con numerosas microfisuras taponada por grafito. La cohesión entre el grafito y la matriz metálica en casi nula. Debido a la gran diferencia entre los coeficientes de dilatación del hierro y del grafito, éste se despega fácilmente de la matriz. Aquel modelo (el mencionado en el párrafo anterior) explica varias propiedades de estas fundiciones: el color gris que presentan las fracturas, la capacidad para amortiguar vibraciones, mayor cuanto más grafito. Además de su maquinabilidad, generalmente buena, las moderadas resistencias a tracción y bajos alargamientos, la dispersión habitual en valores de microdureza, etc. La conductividad térmica de las fundiciones grises es aproximadamente 46 w/m.k; superior a la de los aceros. En ello influye el grafito, buen conductor. La capacidad para disipar calor es, por tanto, mayor en las fundiciones grises - mayor cuanto más cantidad de grafito, y mejor si el grafito es laminar que EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 25

37 CAPÍTULO I MARCO TEORICO esferoidal - que en los aceros. Para aprovechar esta propiedad, las lingoteras para acero líquido se fabrican de fundición gris hipereutéctica. La resistencia de las fundiciones grises al choque térmico resulta, también, mejor para contenidos altos en carbono. El coeficiente de dilatación de las fundiciones grises es, aproximadamente, de 13 μm/m. entre 0 C y 500 C, y de 10,5 μm/m en el rango de 0 C y 100 C. Aunque parecido al del hierro, resulta algo menor que este (11 μm/m para el Fe alfa y 18 μm/m para el Fe gamma). La tenacidad de las fundiciones grises, es mayor que las de las fundiciones blancas; pero, por el efecto de entalla debido al grafito laminar, resulta insuficiente. Por ello, cuando se requiere un material tenaz no debe utilizarse fundición blanca, ni tampoco fundición gris laminar. Las medidas de dureza son interesantes para predeterminar la resistencia al desgaste de una fundición gris. Además, proporcionan un primer criterio sobre su comportamiento al mecanizado o maquinabilidad. A diferencia de los aceros, las fundiciones no tienen una proporcionalidad directa entre dureza y resistencia a la tracción. La resistencia a tracción, R, depende del tipo de grafito, de su cantidad, y de la estructura matriz. Puede señalarse, con carácter general, que la resistencia a tracción disminuye al aumentar el contenido en carbono de las fundiciones. El grafito disminuye la sección real del constituyente matriz, que es quien aguanta el esfuerzo de tracción, y por otra parte el efecto de entalla del grafito laminar, disminuye la tenacidad. Una misma fundición gris perlítica puede presentar distintos valores de R según sea el tamaño de la pieza. Así, para un mismo contenido de carbono, lo cual determina la cantidad de grafito en la fundición solidificada establemente, un aumento del módulo de masividad (volumen / área) equivale a disminuir la EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 26

38 CAPÍTULO I MARCO TEORICO velocidad de solidificación. Por ello las rosetas eutécticas serán más grandes, el grafito A resultará más grueso y de mayor longitud, la perlita matriz tendrá mayor espaciado interlaminar, y resultará más blanda y menos resistente. La resistencia a compresión de las fundiciones grises es alta: 3 o 4 veces superior a la resistencia a la tracción. Ello se debe a que, en compresión, apenas influye el efecto de entalla del grafito y, por tanto, la contribución negativa de este se reduce simplemente a disminuir la sección eficaz del constituyente matriz. Gracias a la buena colabilidad de las fundiciones grises es posible moldear piezas de paredes delgadas, tales como tubos con aletas para radiadores, rodetes para bombas, anillos para columnas, calderas, compresores, etc. Las fundiciones grises ordinarias presentan buena resistencia a la corrosión, superior a la de los aceros. Los productos de corrosión quedan apresados por el esqueleto de grafito y dificultan el deterioro de zonas más profundas. En general, las fundiciones grises resultan fácilmente mecanizables, aunque ocasionalmente, pueden presentar dificultades de mecanizado derivadas de defectos externos tales como arena adherida a superficie, o bien por factores ligados al diseño o a la práctica del moldeo. En cuanto a resistencia al desgaste el comportamiento de las fundiciones, tanto blancas como grises, es excelente. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 27

39 CAPÍTULO I MARCO TEORICO I.6 Defectos que se producen en la fundición gris. Las discontinuidades en la matriz de las fundiciones grises disminuyen las propiedades de las piezas fundidas debido a que reducen la sección útil de las piezas moldeadas y disminuyen su resistencia. Es necesaria por eso una identificación cuidadosa previa de éstos, de manera que puedan ser eliminadas o minimizados. El lugar, la forma y el tamaño de un defecto proveen valiosos indicios acerca de su origen. A continuación se estudian los defectos comunes encontrados en las fundiciones grises. I.6.1 Porosidades Se refiere a aquellos defectos que se encuentran debajo de la superficie superior del fundido y en el centro del molde. Estos defectos pueden ser de forma esférica o irregular. Muchos de estos huecos contienen escoria, y algunas cavidades contienen metal segregado. El metal frío, resultante de una temperatura de vaciado baja, es la causa principal de estas porosidades. Esto explica por qué el fundido último, vaciado de una cuchara, es el que más posibilidades tiene de resultar defectuoso. La combinación de excesivos niveles de azufre y manganeso producen también piezas con defectos de este tipo. Por tanto, para evitar este tipo de defectos se deben evitar altos contenidos de azufre y de manganeso, y, asimismo, bajas temperaturas de vaciado. La formación de las porosidades se debe a que cuando la temperatura del metal fundido cae, se forman sulfuros de manganeso y se separan del metal fundido. Estos flotan sobre la superficie donde se mezclan con la escoria de la cuchara (silicatos de hierro y de manganeso), creando una escoria de muy alta fluidez. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 28

40 CAPÍTULO I MARCO TEORICO Esta escoria entra en las cavidades del molde, reacciona con el grafito precipitado durante la reacción eutéctica, y resulta en la evolución de monóxido de carbono y la formación de las porosidades. Temperaturas apropiadas del metal, niveles balanceados de azufre y manganeso, cucharas limpias, y una buena práctica de quitar la capa de escoria de la superficie minimizan estas porosidades. I.6.2 Rechupe La densidad de un metal líquido es generalmente inferior a la densidad de ese mismo metal solidificado. El metal se contrae en estado líquido desde la temperatura de colada (contracción líquida), también se contrae durante el cambio de estado líquido - sólido. A la suma de la contracción líquida y de la contracción por solidificación, se le denomina rechupe. Cuanta más alta sea la temperatura en el momento de colar, más acentuada será la diferencia entre el volumen específico del líquido y el del sólido y, por tanto, mayor será el rechupe. El rechupe así definido comprende tanto la contracción macroscópica, o macrorrechupe, como la contracción microscópica o microrrechupe. Frecuentemente aparece en los espacios interdendríticos rellenos por líquido no conectado con el resto del metal líquido, cuando las dendritas están muy desarrolladas. Al solidificar - y contraerse, por tanto estas pequeñas porciones líquidas, no conectadas, forman porosidades internas: esto es el microrrechupe. I.6.3 Cavidades de contracción. Pueden aparecer o bien aisladas o interconectadas, como vacíos de forma irregular. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 29

41 CAPÍTULO I MARCO TEORICO Secciones gruesas y zonas calientes, tales como áreas adyacentes a alimentadores o regiones que experimentan cambios en el tamaño de la sección, son más susceptibles a este tipo de defectos. Los factores que promueven la formación de cavidades de contracción incluyen: falta de rigidez del molde, inadecuada composición del metal, temperatura de vaciado incorrecta, y un alto grado de nucleación. Estos factores pueden actuar independientemente o combinados. Casi todos los líquidos se contraen durante el enfriamiento y solidificación. En las fundiciones grises, sin embargo, ocurre expansión durante la formación del eutéctico austenita-grafito. Esta expansión aumenta si la aleación está altamente nucleada, un estado que es producido por inoculación. Moldes, particularmente de arena verde que no tienen suficiente dureza son incapaces de contener esta expansión. Esto conduce a un incremento de la capacidad. Se forman entonces cavidades de contracción si el metal suplementario no es suficiente para acomodarse a este incremento. La composición de la aleación puede tener un efecto pronunciado sobre las cavidades de contracción. Niveles de fósforo tan pequeños como 0,02 % pueden causar la formación de finas porosidades en los bordes de las células eutécticas y en las regiones calientes. Temperaturas excesivas de vaciado pueden también incrementar la contracción del metal cuando se enfría a temperaturas de solidificación que favorecen la formación de cavidades de contracción. Además debido a que moldes de arena verde no son dimensionalmente estables bajo el calor, las temperaturas más altas incrementan los cambios del movimiento de las paredes del molde. Existe un compromiso entre temperaturas de vaciado muy altas y muy bajas. Si la temperatura de vaciado usada es muy baja se pueden producir porosidades. Por tanto, la experiencia es el mejor camino para determinar la temperatura óptima de vaciado. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 30

42 CAPÍTULO I MARCO TEORICO I.6.4 Sopladuras En estado fundido los metales suelen retener gran volumen de gases en disolución o en forma de compuestos líquidos inestables. Así por ejemplo, el hierro líquido disuelve monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrógeno, nitrógeno, vapor de agua, oxígeno, etc. Cuando la temperatura del fundido desciende hasta el umbral de la solidificación, se produce una rápida disminución de la solubilidad y los gases se desprenden del metal líquido. Su desprendimiento prosigue a lo largo de todo el proceso de solidificación. Cuando el desprendimiento de gases se opera en un metal casi totalmente solidificado, que no permite su salida, los gases quedan retenidos: parte en las porosidades interdendríticas, y parte en el interior de las cavidades de la masa metálica aún plástica. Estas cavidades reciben el nombre de sopladuras y pueden ser periféricas o internas. El aire que llenaba el molde y queda retenido durante la colada puede dar origen también a cavidades, en la masa metálica. Los gases ocluidos en las piezas moldeadas pueden deberse también a la acción del metal líquido sobre el agua que humedece los moldes: el rápido desprendimiento del vapor de agua del molde origina poros superficiales denominados picaduras. I.7 Ventajas de las fundiciones grises El empleo de la fundición gris para la fabricación de piezas para usos muy diversos, ofrece, entre otras, las siguientes ventajas: 1) Las piezas de fundiciones grises son, en general más baratas que las de acero (que es el material que más se utiliza en los talleres y fábricas de maquinaria, motores, instalaciones, etc.). Su fabricación es también más EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 31

43 CAPÍTULO I MARCO TEORICO sencilla por emplearse instalaciones menos costosas y realizarse la fusión a temperaturas relativamente poco elevadas y más bajas que aquellas correspondientes al acero. 2) Las fundiciones son, en general, mucho más fáciles de mecanizar que los aceros. 3) Se pueden fabricar con relativa facilidad piezas de grandes dimensiones y también piezas pequeñas y complicadas que se pueden obtener con gran precisión de formas y medidas. Además en ellas es mucho menos frecuente la aparición de zonas porosas que en las piezas fabricadas con acero fundido. 4) Para numerosos elementos de motores, maquinaria, etc., son suficientes las características mecánicas que poseen las fundiciones. Su resistencia a la compresión es muy elevada (50 a 100 kg/mm 2 ) y su resistencia a la tracción (que puede variar de 12 a 70 kg /mm 2 ) es también aceptable para muchas aplicaciones. Tienen buena resistencia al desgaste y absorben muy bien (mucho mejor que el acero) las vibraciones de máquinas, motores, etc. a las que a veces están sometidas. 5) Su fabricación exige menos precauciones que la del acero y, sin necesidad de conocimientos técnicos muy especiales, se llegan a obtener fundiciones con características muy aceptables para numerosas aplicaciones. 6) Como las temperaturas de fusión de las fundiciones son, como hemos dicho antes, bastante bajas, se pueden sobrepasar con bastante facilidad. Por lo tanto, suele ser bastante fácil conseguir que las fundiciones en estado líquido tengan gran fluidez, y con ello se facilita la fabricación de piezas de poco espesor. 7) En la solidificación presentan mucho menos contracción que los aceros y, además, su fabricación no exige como en los aceros, el empleo de refractarios relativamente especiales de precio elevado. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 32

44 CAPÍTULO II MÉTODOS DE FABRICACIÓN Capítulo II MÉTODOS DE FABRICACIÓN I1.1 PROCESOS DE FUNDICIÓN Proceso de producción de piezas metálicas a través del vertido de metal fundido sobre un molde hueco, por lo general hecho de arena. El principio de fundición es simple: se funde el metal en un horno, se vacía el líquido en un molde y se deja enfriar, existen todavía muchos factores y variables que se deben considerar para lograr una operación exitosa de fundición. La fundición es un antiguo arte que todavía se emplea en la actualidad, aunque ha sido sustituido en cierta medida por otros métodos como la fundición a presión (método para producir piezas fundidas de metal no ferroso, en el que el metal fundido se inyecta a presión en un molde), la forja (proceso de deformación en el cual se comprime el material de trabajo entre dos dados usando impacto o presión para formar la parte), la extrusión (es un proceso de formado por compresión en el cual el metal de trabajo es forzado a fluir a través de la abertura de un dado para darle forma a su sección transversal), el mecanizado y el laminado (es un proceso de deformación en el cual el espesor del material de trabajo se reduce mediante fuerzas de compresión ejercidas por dos rodillos opuestos). La realización de este proceso empieza lógicamente con el molde. La cavidad de este debe diseñarse de forma y tamaño ligeramente sobredimensionado, esto permitirá la contracción del metal durante la solidificación y enfriamiento. Cada metal sufre diferente porcentaje de contracción, por lo tanto si la presión dimensional es crítica la cavidad debe diseñarse para el metal particular que se va a fundir. Los moldes se hacen de varios materiales que incluyen arena, yeso, cerámica y metal. Los procesos de fundición se clasifican de acuerdo a los diferentes tipos de moldes. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 33

45 CAPÍTULO II MÉTODOS DE FABRICACIÓN Se calienta primero el metal a una temperatura lo suficientemente alta para transformarlo completamente al estado líquido, después se vierte directamente en la cavidad del molde. En un molde abierto el metal líquido se vacía simplemente hasta llenar la cavidad abierta. En un molde cerrado existe una vía de paso llamada sistema de vaciado que permite el flujo del metal fundido desde afuera del molde hasta la cavidad, este es el más importante en operaciones de fundición. Cuando el material fundido en el molde empieza a enfriarse hasta la temperatura suficiente para el punto de congelación de un metal puro, empieza la solidificación que involucra un cambio de fase del metal. Se requiere tiempo para completar este cambio de fase porque es necesario disipar una considerable cantidad de calor. El metal adopta la forma de cavidad del molde y se establecen muchas de las propiedades y características de la fundición. Al enfriarse la fundición se remueve del molde; para ello pueden necesitarse procesamientos posteriores dependiendo del método de fundición y del metal que se usa. Entre ellos tenemos: a) El desbaste del metal excedente de la fundición. b) La limpieza de la superficie. c) Tratamiento térmico para mejorar sus propiedades. d) Pueden requerir maquinado para lograr tolerancias estrechas en ciertas partes de la pieza y para remover la superficie fundida y la microestructura metalúrgica asociada. II.2 Modelo y corazón La fundición en arena requiere un patrón o modelo al tamaño natural de la parte, ligeramente agrandado, tomando en consideración la contracción y las tolerancias para el maquinado de la fundición final. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 34

46 CAPÍTULO II MÉTODOS DE FABRICACIÓN Aun cuando un modelo se usa para producir piezas coladas de dimensiones específicas, este no tiene las mismas dimensiones que la pieza. Para el diseño y fabricación de los modelos, se considera un número importante de tolerancias y reglas que deben incorporarse para tener piezas dimensionalmente correctas. Los factores que por razones metalúrgicas y mecánicas deben considerarse siempre las normas para elaborar un modelo. Es el elemento que sirve para la obtención de la cavidad en los moldes de arena. Estos se logran cuando la arena se comprime alrededor del modelo y ambos están dentro de una caja de moldeo. Cuando se termina de compactar la arena se extrae el modelo y después de cerrar el molde, se vacía el metal líquido para que llene las cavidades del mismo. Los modelos deben de estar bien diseñados a fin de compensar la contracción y evitar dificultades de moldeo, o bien rechazo de piezas por excentricidades, formación de grietas y otros defectos. Estos defectos pueden evitarse si se proveen las formas adecuadas de los modelos para facilitar el moldeo. Para seleccionar el material más adecuado para el modelo es menester conocer la cantidad de piezas a producir así como el número de moldes necesarios. Para las dimensiones del modelo se deben calcular las contracciones metálicas esperadas en la pieza y compensar en la dimensión del modelo, también se deben proveer los sobre-espesores de maquinado necesarios, figura II.1. (Caro, Jesús: 2003,16). EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 35

47 CAPÍTULO II MÉTODOS DE FABRICACIÓN Figura II.1. Modelo bipartido representando un sistema de alimentación. CORAZÓN También llamado núcleo, macho, alma o anima. Los modelos definen la forma externa de la fundición. Si posee superficies internas, se necesita un corazón para definirlas. Un corazón es un modelo de tamaño natural de las superficies interiores de la pieza. Además puede quedar formado por el molde mismo o puede ser hecho en otra parte e introducido en el molde después de extraer el modelo. Se EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 36

48 CAPÍTULO II MÉTODOS DE FABRICACIÓN pueden formar superficies tanto internas como externas en una pieza de fundición mediante los corazones. El corazón se inserta en la cavidad del molde antes del vaciado, para que al fluir el metal fundido, solidifique entre la cavidad del molde y el corazón, formando así las superficies externas e internas de la fundición. El corazón se hace generalmente de arena compactada. El tamaño real del corazón debe incluir las tolerancias para contracción y maquinado lo mismo que el patrón. Los corazones se clasifican como corazones de arena verde y corazones de arena seca. Los corazones de arena verde son aquellos formados por el mismo modelo y se hacen en la misma arena del molde. Los corazones de arena seca son los que se forman separadamente para insertarse después que se ha retirado el modelo y antes de cerrar el molde. En general deben usarse los corazones de arena verde, siempre que sea posible para mantener el costo de los modelos y de las piezas de fundición en un mínimo. Naturalmente los corazones separados aumentan el costo de producción. Un corazón debe ser, figura II.2: Permeable: capacidad de la arena para permitir que escapen los vapores. Refractario: capacidad de soportar altas temperaturas. Fácil al colapso: habilidad para disminuir el tamaño conforme se enfría el colado y se contrae. Resistente en seco: para que no se erosione y sea arrastrado o cambie de tamaño cuando este rodeado del metal fundido. Friable: facilidad para desmoronarse y eliminarse con facilidad del colado. Debe tener una tendencia mínima a generar gas. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 37

49 CAPÍTULO II MÉTODOS DE FABRICACIÓN Figura II.2: Manufactura del Corazón El corazón, dependiendo de la forma, puede o no requerir soportes que lo mantengan en posición en la cavidad del molde durante el vaciado. Estos soportes, llamados sujetadores, se hacen de un metal cuya temperatura de fusión sea mayor que la de la pieza a fundir. Por ejemplo, para fundiciones de hierro fundido se usan sujetadores de acero. Los sujetadores quedan atrapados en la fundición durante el vaciado y la solidificación. En la figura II.3 se muestra un posible arreglo del corazón usando sujetadores. La porción de los sujetadores que sobresalen de la fundición se recortan después. Figura II.3: a) Corazón mantenido en su lugar dentro de la cavidad del molde por los sujetadores, b) Diseño posible del sujetador, c) Fundición con cavidad interna EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 38

50 CAPÍTULO II MÉTODOS DE FABRICACIÓN II.2.1 Consideraciones para un Modelo a) Ángulo de extracción: Al tener preparado el molde es necesario abrirlo en 2 más partes para poder extraer el modelo, para lo cual es necesario que este tenga en todas sus caras normales a la línea de partición, una inclinación que permita su extracción, sin que el modelo arrastre arena consigo, figura II.4. Figura II.4. Correcta Extracción de una Pieza. Para determinar el ángulo de extracción β de los modelos, se recomiendan los valores de la tabla I.1 y I.2y figura II.5. Tabla II.1. Ángulos de Salida para un Modelo Altura de un Modelo Ángulo de Salida De 1 a 10 mm 3 De 11 a 20 mm 2 De 21 a 35 mm 1 De 36 a 65 mm 0 45 De 66 a 150 mm 0 30 EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 39

51 CAPÍTULO II MÉTODOS DE FABRICACIÓN Tabla II.2. Pendientes para un Modelo Altura de un Modelo De 151 a 250 mm De 251 a 400 mm De 401 a 600 mm De 601 a 800 mm Pendientes 1.5mm 2.5mm 3.5mm 4.5mm Figura II.5. Modelo de una Válvula con ángulos determinados. b) Contracción: Al solidificar los metales o aleaciones se contraen y disminuye su volumen, este fenómeno origina una reducción de las medidas de la pieza, por lo cual los modelos al ser proyectados, deben contener en sus dimensiones el porciento de contracción del metal o aleación. Los 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 EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 40

52 CAPÍTULO II MÉTODOS DE FABRICACIÓN tolerancia de contracción del modelo. Aunque la contracción es volumétrica, las dimensiones de la fundición se expresan linealmente. Para hacer los modelos y los moldes más grandes que la pieza, se usan escalas especiales de contracción que consideran una ligera elongación en proporción adecuada. Estas escalas varían en elongación desde menos de 3 mm a 16 mm por cada 300 mm de longitud con respecto a una escala normal, dependiendo del metal a fundir. (Kalpakjian, Geraldo: 2002, 118). A continuación se presentan algunas Contracciones Volumétricas en la tabla II.3: Tabla II.3. Contracciones volumétricas en Metales Contracción Volumétrica debido a: Metal Contracción por Solidificación % Contracción Térmica del Solido % Fundición de Acero 3.0 Aleación de aluminio 7.0 Fundición de Hierro Gris Fundición de Hierro Gris con Alto Carbono Aluminio II.2.2 Materiales para Modelos El número de piezas a realizarse con un modelo determinara el criterio de selección del material del mismo, que puede ser de madera, metal, poliestireno, resina epóxica, cera o bien mercurio congelado. Sin duda que la vida útil del EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 41

53 CAPÍTULO II MÉTODOS DE FABRICACIÓN modelo y su precisión son factores que influyen también para la selección del material. En México es muy utilizada la madera de ayacahuite, pino blanco, y cuando se requiere mayor precisión se requieren maderas duras como la caoba. Para moldear 100 veces o más, con un mismo modelo conviene hacerlo metálico (de aluminio o aleaciones de aluminio) que resisten más al desgaste por abrasión. Pueden fabricarse también de bronce o de hierro gris, ya que a veces el desgaste es excesivo cuando se tienen que calentar, como es el caso del moldeo en cascara (Shell Molding). Cuando se trabaja en la fundición por revestimiento (investment casting), los moldes se realizan en cera o mercurio congelado. (Appold, Hernan: 2005, 246). II.2.3 Terminología para un Modelo Modelo de madera: Es semejante a la pieza que se desea obtener en fundición. Plano de partición: Es la superficie que parte o divide al modelo en 2 o más partes y se hace con el fin de facilitar la operación de moldeo. Corazón o macho: sirve para formar el interior o hueco de una pieza y se hace de arena seca o estufada. Para fabricarlo se requiere de una caja de corazón (la arena se introduce en una caja y se apisona). Plantilla o soporte de corazón: Se localiza en el modelo y sirve para formar el apoyo para la arena del corazón o macho, el cual se coloca posteriormente en el molde. (Stenquist, William: 2003, 244). EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 42

54 CAPÍTULO II MÉTODOS DE FABRICACIÓN II.2.4 Tipos de Modelos MODELOS SUELTOS.- Pueden considerarse a este tipo de modelos con acoplamiento simple de las piezas a fabricarse en las cuales se han incorporado las tolerancias y las plantillas de los corazones. Cuando se utilizan este tipo de modelos la línea de partición del molde debe hacerse a mano. El sistema de coladas y alimentación también se hace a mano y finalmente la separación de modelo y molde se efectúa también manualmente teniendo necesidad de aflojar previamente el modelo para poder separarlo del molde, consecuentemente en ese momento se tiene una variación dimensional. Aun cuando la utilización de este tipo de modelo es cosa común en nuestro medio, en la mayoría de los casos podría eliminarse su utilización, ya que la producción de moldes que se obtiene es baja y costosa, figura II.6. Figura II.6. Modelos sólido, dividido, con placa de acoplamiento y modelo de doble placa superior e inferior Modelo bipartido.- Se presentan en 2 partes; el plano de partición en forma general se localiza en el plano de simetría de la pieza. Modelo con plantillas para corazón normal.- Es natural o bipartido pero con plantillas. El corazón normal se fabrica en una máquina de extruido de arena. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 43

55 CAPÍTULO II MÉTODOS DE FABRICACIÓN Modelo con caja de corazón.- Es el modelo con plantillas para corazón pero con una caja de corazón adicional. Modelo en secciones.- Son modelos en 2 o más secciones y generalmente el plano de partición es irregular. (Beeley, Peter: 2001, 167) II.3 Arenas para fundición Para el proceso ordinario de fundición en moldes de arena, se requiere el empleo de cantidades considerables de arena. Esta, es empleada en la fabricación de los moldes, que servirán para hacer el vaciado del metal directamente en ellos. Para lograr una buena arena, es necesario prestar mucha atención a todos los detalles que entran en la preparación, control, manejo y uso apropiado de la misma. Una arena es un material granular, resultante de la desintegración de las rocas; el término se refiere al tamaño del grano y no a la composición mineral. El diámetro de los granos puede variar entre 0.05 a 2.0 mm (6 a 270 mallas). La mayoría de las arenas de fundición se componen básicamente de cuarzo y sílice. La medición de las propiedades de las arenas, forman parte del control de este material, siendo dichas mediciones muy importantes cuando se correlacionan con la calidad de las piezas fundidas obtenidas, debido a que son un factor clave para la eliminación de las causas de los defectos de fundición. Una arena de moldeo es el resultado de unir y mezclar convenientemente varios componentes para obtener de ellos las características deseadas. II.3.1 Arena en verde Una arena en verde (se le llama así a la mezcla de arena húmeda), que es el tipo de arena más utilizada, se compone de los siguientes elementos: Sílice, arcilla y agua. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 44

56 CAPÍTULO II MÉTODOS DE FABRICACIÓN Cualquier otro elemento presente deberá ser considerado como un agregado o modificador cuya finalidad es la de modificar o mejorar determinadas propiedades. Los aglutinantes o arcillas son de los siguientes tipos: a) Bentonitas b) Arcillas refractarias c) Arcillas especiales (Toodd: 2004, 164) II.3.2 Propiedades de la arena Las propiedades de las arenas pueden clasificarse en dos tipos: La primera de ellas, considera los caracteres estructurales de las arenas y la segunda, las propiedades técnicas de las mismas. Entonces podemos decir: 1. PROPIEDADES ESTRUCTURALES. Análisis químicos. Contenido arcilloso. Dimensión de los granos y su distribución Forma de los granos. 2. PROPIEDADES TECNICAS. Refracteriedad Cohesión o resistencia Permeabilidad Fluidez Moldeabilidad EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 45

57 CAPÍTULO II MÉTODOS DE FABRICACIÓN Otras propiedades importantes que considerar en las arenas, se dan en la tabla II.4. Tabla II.4. Propiedades Térmicas de la Arena Densidad (Kg/m 3 ) 1640 Calor específico (J/Kg K) 815 Conductividad térmica (W/m K) 13 Temperatura inicial (K) 300 Dónde: Densidad (ρ): masa de material por unidad de volumen: ρ = m / V (kg/m 3 ). Calor específico: Cantidad de energía necesaria para aumentar en 1ºC la temperatura de 1 kg de material. Indica la mayor o menor dificultad que presenta una sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Los materiales que presenten un elevado calor específico serán buenos aislantes. Sus unidades del Sistema Internacional son J/ (kg K), aunque también se suele presentar como 46cal/ (kg ºC); siendo 1 cal = 4,184 J. Conductividad térmica (k): capacidad de un material para transferir calor. La conducción térmica es el fenómeno por el cual el calor se transporta de regiones de alta temperatura a regiones de baja temperatura dentro de un mismo material o entre diferentes cuerpos. Las unidades de conductividad térmica en el Sistema Internacional son W/(m K), aunque también se expresa como 46cal/(h m ºC), siendo la equivalencia: 1 W/(m K) = 0,86 kcal/(h m ºC). Las propiedades físicas de la arena de fundición son: EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 46

58 CAPÍTULO II MÉTODOS DE FABRICACIÓN Permeabilidad: Propiedad de las arenas que permite eliminar los gases y vapores que se forman al vaciar el metal fundido en el molde de arena, a través de ella misma. Para poder calcular la permeabilidad de la arena utilizamos: P = {(v).(h)}/{(p.a.t)} (C) Dónde: v = Volumen del aire (cm 3 ) h = Altura de la probeta en (cm) p = Presión del aire (Kg/cm 2 ) a = Área transversal de la probeta (cm 2 ) t = Tiempo en segundos C = constante dimensional (0.06 Kg-seg/cm 4 ) En la tabla II.5 se muestran algunos números de permeabilidad aceptables para diferentes materiales: Tabla II.5. Permeabilidad para diferentes Metales METAL FUNDIDO NUMERO DE PERMEABILIDAD Aluminio (ligero y medio) 8 a 15 Hierro (ligero) 15 a 65 Hierro (medio) 65 a 100 Hierro (pesado) 75 a 150 EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 47

59 CAPÍTULO II MÉTODOS DE FABRICACIÓN Hierro maleable (ligero) 20 a 50 Hierro maleable (medio) 50 a 100 Acero (ligero) 100 a 150 Acero (medio) 125 a 200 Resistencia a la compresión lb/pulg 2 (psi) La resistencia a la compresión de una arena en verde es la resistencia máxima que una muestra es capaz de soportar cuando se prepara, apisona y ensaya. El procedimiento para realizar este ensayo se requiere de utilizar probetas de arena normalizadas y también una máquina para resistencias. Compresibilidad Cambio relativo de volumen frente a una variación de la presión. En principio la magnitud de la compresibilidad depende de las condiciones bajo las cuales se lleva a cabo la compresión o descompresión de la arena, por lo que a menos que se especifique el modo en que se lleva a cabo esa operación la compresibilidad de un valor u otro según las cantidades de calor intercambiadas con el exterior. Humedad (%) Cantidad de vapor de agua presente en la arena. Se puede expresar de forma absoluta mediante la humedad absoluta, o de forma relativa mediante la humedad relativa o grado de humedad. La humedad relativa es la relación porcentual entre la cantidad de vapor de agua real que contiene la arena y la que necesitaría contener para saturarse a idéntica temperatura. Actualmente el método más utilizado en todas las fundiciones es conocido como método por aire caliente forzado, el cual consiste en dirigir aire a través de una muestra de arena hasta evaporar toda la humedad. El tiempo práctico es de 5 minutos. La muestra de EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 48

60 CAPÍTULO II MÉTODOS DE FABRICACIÓN arena debe ser pesada a temperatura ambiente antes y después de circular el aire caliente a través de ella. El contenido de humedad se calcula como porcentaje por medio de la expresión: (Morral, 2006, 237) II.4 Molde El moldeo es un conjunto de actividades necesarias para poder transformar la arena silico-arcillosa que se encuentra en estado plástico con el fin de ser compactada dentro de una caja de moldeo, donde previamente se colocó el modelo de la pieza. Al conjunto formado por la caja de moldeo, la arena apisonada y la cavidad formada por el modelo, se le conoce como molde. (Appold, Hernán: 2005, 113). En la figura II.7 se muestra el corte de un molde: Figura II.7. Corte Escalonado de un Molde Figura II Contrapeso, 2.-Copa de Colada, 3.-Caja de moldeo, 4.-Bebedero, 5.-Corazón 6.-Tobera, 7.-Mazarota o Alimentador. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 49

61 CAPÍTULO II MÉTODOS DE FABRICACIÓN II.4.1. Tipos y características del moldeo Moldeo en arena verde: Cuando el estado de la arena en el molde contiene una humedad relativa en toda su masa. Ventajas: Es un procedimiento sencillo Se obtiene un enfriamiento rápido de las piezas La impresión de la cavidad se obtiene con relativa precisión. Desventajas: La poca resistencia del molde No tiene resistencia a la erosión Existe un templado superficial en las piezas (perjudicial para el maquinado) Requiere de mano de obra calificada. Moldeo en arena verde con secado superficial: Es la operación del moldeo en verde pero además se realiza un secado en las caras de contacto a fuego directo, figura II.8. Figura II.8. Molde de arena en verde EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 50

62 CAPÍTULO II MÉTODOS DE FABRICACIÓN Ventajas: Es un procedimiento sencillo Se obtiene un enfriamiento rápido de las piezas La impresión de la cavidad se obtiene con relativa precisión. Vaciar piezas más pesadas, debido a un aumento en la resistencia del molde. Se evita el templado superficial en buena medida. Se mejora el acabado superficial. Moldeo en verde y secado completo: El secado completo de un molde en verde se logra haciendo pasar el molde en hornos de secado en tiempos preestablecidos. Ventajas: Se obtiene la mayor resistencia del molde. La cantidad de gases a evacuar es mínima. No hay templado superficial en las piezas y se facilita el maquinado. Se obtiene un buen acabado superficial. Desventajas: Es un procedimiento lento. Limitado al tamaño de la pieza (solo moldes pequeños) Se eleva el costo de fabricación. Debido a su alta resistencia, impide la libre contracción del metal. (Leyensetter, Alejandro: 2006, 345). EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 51

63 CAPÍTULO II MÉTODOS DE FABRICACIÓN II.4.2. Transferencia de calor en el molde La transferencia de calor en el molde es mediante el paso de energía térmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. Como resultado de la Segunda ley de la termodinámica. Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos en proximidad uno del otro, la transferencia de calor no puede ser detenida; solo puede hacerse más lenta. La mayoría de los cambios físicos y químicos, ocurren en las condiciones de presión constante de la atmósfera. Para expresar el calor liberado o absorbido en un proceso a presión constante, se utiliza una cantidad llamada entalpía (H). La entalpía de reacción puede ser positiva o negativa, dependiendo del proceso. Para un proceso endotérmico (calor absorbido por el sistema de los alrededores), H es positivo (esto es, H > 0). Para un proceso exotérmico (se libera el calor del sistema hacia los alrededores), H es negativo (esto es, H < 0). El metal líquido transmite calor al molde de arena a través de los fenómenos convección, conducción y radiación, los cuales son descritos a continuación: (Mills, Anthony: 1995, 154). Convección: Se realiza cuando se van eliminando los vapores y gases que se formaron en la entrada del metal en el molde. Se evacuan por los intersticios de la arena, figura II.9. (I.1) Dónde: h = Coeficiente de convección (o coeficiente de película) A s = Área del cuerpo en contacto con el fluido T s = Temperatura en la superficie del cuerpo = temperatura del fluido lejos del cuerpo. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 52

64 CAPÍTULO II MÉTODOS DE FABRICACIÓN Q = calor liberado Gases calientes Figura II.9. Transferencia de calor por convección. Conducción: Se produce al entrar en contacto el metal líquido con el molde, figura II.10, la cantidad de calorías liberadas está en función directa de la superficie en contacto. Esta transferencia de calor está dada por: (I.2) Dónde: = Tasa de flujo de calor que atraviesa el área A en la dirección x k (o λ) = Constante de proporcionalidad llamada conductividad térmica = Temperatura. t = Tiempo EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 53

65 CAPÍTULO II MÉTODOS DE FABRICACIÓN Figura II.10. Transferencia de calor por conducción. Radiación: Se produce a través del calor que liberan las superficies que se encuentran en contacto con el medio ambiente, figura II.11. (I.3) Dónde: q =Carga eléctrica de la partícula. a = Aceleración de la partícula. 0 =Permisividad del vacío. c = Velocidad de la luz. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 54

66 CAPÍTULO II MÉTODOS DE FABRICACIÓN Figura II.11. Transmisión de calor por radiación. II.5 HIERRO COLADO II.5.1 Tipo de hierro gris utilizado La composición típica para obtener una microestructura grafítica es de 2.5 a 4% de carbono y de 1 a 3% de silicio, el silicio juega un papel importante en diferenciar a la fundición gris de la fundición blanca, esto es debido a que el silicio es un estabilizador de grafito, esto significa que ayuda a precipitar el grafito desde los carburos de hierro. Otro factor importante que ayuda a la formación de grafito es la velocidad de solidificación de la colada, una velocidad lenta tenderá a producir más grafito y una matriz ferritica, una velocidad moderada tenderá a producir una mayor matriz perlítica, para lograr una matriz 100% ferrítica, se debe someter la fundición a un tratamiento térmico de recocido. Las fundiciones grises dan poco rechupe, 1 % de contracción lineal aproximadamente, inferior a la de los aceros y fundiciones blancas. La pequeña contracción al solidificar se debe a que su densidad (entre 6,95 y 7,35 g/cm 3, menor cuanto más carbono) es inferior a la de las fundiciones blancas (7,7 g/cm 3 ) EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 55

67 CAPÍTULO II MÉTODOS DE FABRICACIÓN y a la de los aceros (7,87 g/cm 3 ). La figura II.12 muestra el tipo de válvula a fabricar. Figura II.12. Válvula de hierro colado gris II.5.2 Tipo de fundición ( Sand casting ) El principal componente de este tipo de fundición es arena que se utiliza para hacer el molde; el metal vaciado en el molde de arena una vez que solidifica, se obtendrá la válvula de hierro, tabla II.6 y II.7 Tabla II.6. Propiedades Físicas y Térmicas del hierro colado. Densidad Hierro Solido (kg/m 3 ) 7800 Conductividad térmica Hierro líquido 47 (W/m K) Conductividad térmica Hierro Solido (W/m K) 50 Calor Especifico Hierro Líquido (J/Kg K) 460 Calor Especifico Hierro Solido (J/Kg K) 457 EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 56

68 CAPÍTULO II MÉTODOS DE FABRICACIÓN Temperatura de Liquido (K) 1600 Temperatura de Solido (K) 1420 Punto de Fusión (K) 1680 Punto de Ebullición (K) 2125 Tabla II.7. Propiedades Térmicas de la Arena Densidad (Kg/m 3 ) Calor Especifico (J/Kg K) Conductividad Térmica (W/m K) Temperatura Inicial K II.5.3 Modelo De madera. Semejante a la pieza que se desea obtener en fundición. Tipo bipartido. Se presenta en 2 partes; el plano de partición se localiza en el plano de simetría de la pieza, tabla II.8. Tabla II.8. Pendientes para un Modelo Altura de un Modelo De 251 a 400 mm Pendiente 2.5mm Valor de contracción para aplicarlos a las dimensiones del modelo en función del material que será vaciado en la pieza, tabla II.9. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 57

69 CAPÍTULO II MÉTODOS DE FABRICACIÓN Tabla II.9. Contracciones volumétricas en Metales Material % Contracción Hierro gris 0.5 A 1.2 II.5.4 Molde Se realiza un secado en las caras de contacto a fuego directo. Las ventajas que obtendremos al utilizar este tipo de molde son: Procedimiento sencillo, se obtiene un enfriamiento rápido de las piezas, la impresión de la cavidad se obtiene con relativa precisión, podremos vaciar piezas más pesadas como una válvula de acero, debido a un aumento en la resistencia del molde, evitaremos el templado superficial en buena medida y por último se mejorara el acabado superficial, figura II.13. Figura II.13. Molde de arena en verde EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 58

70 CAPÍTULO II MÉTODOS DE FABRICACIÓN II.5.5 Convección La transferencia de calor en el molde se realiza por convección debido a la eliminación de vapores y gases que se formaron en la entrada del metal, estos se evacuan por los intersticios de la arena, de tal forma que se determina por la siguiente ecuación: Dónde: h = Coeficiente de convección (ó coeficiente de película) A s = Área del cuerpo en contacto con el fluido T s = Temperatura en la superficie del cuerpo = Temperatura del fluido lejos del cuerpo EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 59

71 CAPÍTULO III PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Capítulo III PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN III.1 CONSTITUCIÓN DE UNA VÁLVULA DE COMPUERTA III.1.1 Vistas de la válvula III.1.2 Vistas del sistema de alimentación EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 60

72 CAPÍTULO III PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 61

73 CAPÍTULO III PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 62

74 CAPÍTULO III PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN III.2 MECANISMOS DE SOLIDIFICACIÓN La solidificación involucra el regreso del metal fundido al estado sólido. Una fundición gris solidifica a una temperatura constante que constituye su punto de congelación o punto de fusión. Los puntos de fusión de las fundiciones o hierros grises son bien conocidos. El proceso ocurre en un tiempo determinado como se muestra en la en la figura III.1 diagrama, conocida como curva de enfriamiento: Figura III.1. Curva de Enfriamiento. La solidificación real toma un tiempo llamado, tiempo local de solidificación, durante el cual el calor latente de fusión del metal escapa fuera del molde. El tiempo total de solidificación va desde el momento de vaciar el metal hasta su completa solidificación. Después que la fundición se ha solidificado completamente, el enfriamiento continúa a una velocidad indicada por la pendiente hacia debajo de la curva de enfriamiento. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 63

75 CAPÍTULO III PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Debido a la acción refrigerante de la pared del molde, se forma una delgada película inicial de metal sólido en la pared inmediatamente después del vaciado. El espesor de esta película aumenta para formar una costra alrededor del metal fundido que va creciendo hacia el centro de la cavidad conforme progresa la solidificación. La velocidad del enfriamiento depende del calor que se transfiere en el molde y de las propiedades térmicas del metal. (Gil Mur, 2005, 65) III.3 SOLIDIFICACION DIRECCIONAL Para minimizar los efectos dañinos de la contracción es conveniente que las regiones de la fundición más distantes de la fuente de metal líquido se solidifiquen primero y que la solidificación progrese de estas regiones hacia la mazarota. En esta forma, el metal fundido continuará disponible en las mazarotas para prevenir los vacíos de contracción durante la solidificación. Se usa el término -solidificación direccional- para describir este aspecto del proceso de solidificación y sus métodos de control. La solidificación direccional deseada se logra aplicando la regla de Chvorinov al diseño de la fundición, a su orientación dentro del molde y al diseño del sistema de mazarotas. Por ejemplo, al localizar las secciones de la fundición con menores relaciones V/A lejos de las mazarotas la solidificación aparecerá primero en estas regiones y el suministro de metal líquido para el resto de la fundición permanecerá abierto hasta que solidifiquen las secciones más voluminosas. Otra forma de fomentar la solidificación direccional es usar enfriadores sumideros de calor internos o externos que causan un, enfriamiento rápido en ciertas regiones de la fundición, Los enfriadores internos son pequeñas partes de metal colocadas dentro de la cavidad antes del vaciado, cuyo objetivo es que el metal fundido solidifiqué primero alrededor de estas partes. (Ferrer Giménez, 2003, 256). EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 64

76 CAPÍTULO III PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN III.3.1 Tiempo de solidificación El tiempo total de solidificación es el tiempo necesario para que la fundición solidifique después del vaciado. Este tiempo depende del tamaño y de la forma de la fundición expresada por una relación empírica conocida como regla de Chvorinov que establece: Tiempo de solidificación = C (Volumen / área superficial) 2. Dónde: TST = Tiempo de solidificación total, min V = Volumen de fundición, (m3) A = Área superficial de la fundición, (m2) n = Exponente que toma usualmente un valor de 2 Cm = Es la constante del molde. Dado que n = 2, las unidades de Cm son (min/m 2 ), su valor depende de las condiciones particulares de la operación de fundición, entre las cuales se incluyen el material del molde (calor específico y conductividad térmica), propiedades térmicas del metal de fundición (calor de fusión, calor específico y conductividad térmica), y la temperatura relativa de vaciado con respecto al punto de fusión del metal. El valor de Cm 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 bastante diferente. La regla de Chvorinov indica que una fundición con una relación de volumen a área superficial se enfriará y solidificará más lentamente que otra con una relación más baja. Este principio ayuda en el diseño de la mazarota del molde. 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, la TST (Temperatura de Solidificación Total) para la mazarota debe exceder la TST EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 65

77 CAPÍTULO III PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN (Temperatura de Solidificación Total) de la fundición principal. Como la condición del molde para la mazarota y la fundición es la misma, las constantes del molde serán iguales. Si el diseño de la mazarota incluye una relación de volumen a área más grande, podemos estar más o menos seguros 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 tomemos en cuenta el tema de la contracción, razón por la cual se necesitan las mazarotas. (Valderrama, 2002, 43), figura III.2. Figura III.2. Solidificación gradual de una pieza de Hierro colado III.3.2 Contracción en la solidificación Existen 3 tipos de contracción que se originan dentro del proceso de solidificación: Contracción liquida (C1). Es la disminución de volumen en estado líquido. Contracción de solidificación (Cds). Es la disminución de volumen desde el principio de la solidificación (aparición del primer cristal solido) hasta el fin de la solidificación (desaparición de la última gota liquida). Contracción solida (Cs). Es la disminución del volumen del metal en estado sólido. Esta contracción se caracteriza porque va acompañada de una disminución en las dimensiones de la pieza. (Ferrer Giménez, 2003, 281), figura III.3. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 66

78 CAPÍTULO III PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Figura III.3. Contracción de una fundición cilíndrica durante la solidificación y enfriamiento: (0) Niveles iníciales del metal fundido inmediatamente después del vaciado; (1) reducción del nivel causada por la contracción del líquido durante el enfriamiento; (2) reducción de la altura y formación de la bolsa de contracción causada por la contracción por solidificación; y (3) reducción posterior de la altura y diámetro debida a la contracción térmica durante el enfriado del metal sólido. Las reducciones están exageradas para mayor claridad. III.4 SISTEMAS DE ALIMENTACION III.4.1 Componentes de un Sistema de Alimentación Los sistemas de alimentación son creados por el modelista en base a su experiencia por medio de ensayo y error, así mismo son una técnica para facilitar la fabricación de piezas de fundición. El sistema de alimentación está formado por los cargadores o mazarotas y su utilización tiene como finalidad prevenir no sólo a formación de cavidades o rechupes, debido a la EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 67

79 CAPÍTULO III PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN contracción del metal durante la solidificación sino también evitar diseños con exceso de metal y altos costos de limpieza. Un buen sistema de alimentación debe poseer suficiente metal u volumen para compensar la contracción de solidificación, promover una solidificación direccional hacia el cargador, es decir, éste debe solidificar de último de manera de llevar progresivamente la solidificación desde el interior del metal colado hasta una reserva de metal exterior a la pieza suministrada por el cargador. Debe ser económico es decir, el peso de la pieza es directamente proporcional a la suma del peso de la pieza, el peso del sistema del colado y el peso del sistema de alimentación. Son muchos los factores que se deben controlar para obtener una buena pieza de fundición. Uno de estos factores es debido al recorrido que efectúa el metal en el molde y su etapa de solidificación. Para diseñar un sistema de alimentación correcto, se requiere conocer los principios de flujo de fluidos y las características de solidificación del metal vaciado. El metal liquido se introduce a la cavidad del molde a través de un sistema de alimentación compuesto de cinco partes principales: basin, bebedero, canal, pozo y ataques. El metal se vacía primeramente en el basin y pasa al bebedero vertical, después fluye a través del canal (previamente formado en la arena del molde), y por ultimo pasa por los ataques, para llegar a la cavidad del molde. (Kalpakjian: 2002, 178), figura III.4. Figura III.4. Sistema de alimentación para una pieza maciza rectangular. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 68

80 CAPÍTULO III PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Diámetro del bebedero: La profundidad puede ser 1.5 veces la profundidad del canal o 2 veces el diámetro del bebedero. Canal: Son de sección rectangular y se deben diseñar en forma tal que permita distribuir el metal en forma uniforme a la pieza. Ataques: Se conocen también como entradas y son la última parte del sistema de alimentación y a su vez es la parte del sistema que tiene contacto con la cavidad del molde. Por regla general los ataques son de sección rectangular y pueden estar por arriba del plano de partición o por debajo. Los ataques o entradas deben estar distribuidos en forma conveniente a la pieza. (Caro Silva: 2003, 97) Basín: Los sistemas de alimentación inician con un basín o capa de colada, destinado a recibir el metal líquido de la cuchara de vaciado y deben a su vez mantener el resto del sistema lleno del metal líquido. También deberá ayudar a inclusiones antes de que fluya a través del sistema. Un Basín debe cumplir con las siguientes características: Bebedero: Debe ser suficientemente grande para permitir la entrada del metal. retener la escoria e Debe ser suficientemente profundo para evitar la aspiración de aire y por consecuencia la oxidación. El diseño correcto de un bebedero es extremadamente importante para el futuro de una buena pieza de fundición. Debe de ser cónico en vez de recto, con la menor área en el fondo, a fin de minimizar el efecto de vórtice y evitar el atrapamiento de burbujas de aire durante el vaciado del metal. Pozo (base del fondo del bebedero): No debe tener aristas ni esquinas, se recomienda la forma circular y el fondo plano para reducir la tendencia a la turbulencia y la aspiración de aire. El diámetro del pozo puede ser 1.5 veces el diámetro del bebedero. La profundidad puede ser 1.5 veces la profundidad del canal o 2 veces el diámetro del bebedero. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 69

81 CAPÍTULO III PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN III.4.2 Defectos de una mala alimentación y causas Juntura: Es un hueco en forma de hendidura que se forma debido a que los chorros de metal que llegan al molde, desde distintos lados, no se sueldan por completo. Las causas de este defecto es la fluidez insuficiente del metal o el suministro inadecuado del metal y, en particular, a la interrupción del chorro metálico al verter el metal en el molde. Sopladuras: Son burbujas de aire o de gases, que se desprenden del metal en el molde y se retienen en la pieza moldeada, formando pequeños poros dispersos en distintas partes de la pieza. Las causas de la aparición de las sopladuras en la pieza moldeada son: Permeabilidad insuficiente del molde para los gases, (exceso de apisonando y mala ventilación del sistema de alimentación). Mala calidad de las arenas de moldeo y de los machos o corazones. Mala ventilación de los machos (salida de gases). Humedad de los machos en el molde armado o exceso de aglomerante. Colada del molde con metal insuficientemente desoxidado. Rechupes: Son unas cavidades que se forman en consecuencia de una alimentación insuficiente de la pieza moldeada, en los lugares de acumulación del metal. También se encuentran a menudo, en las piezas moldeadas, la friabilidad de contracción y porosidad, lo cual se manifiesta por una multitud de pequeños poros. Las causas que originan la formación de los rechupes y la friabilidad son: estructura anormal o complicada de las piezas moldeadas y la mala colocación de bebederos y de mazarotas, colada del molde con metal a muy alta temperatura y composición química incorrecta del metal, que posee una contracción elevada. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 70

82 CAPÍTULO III PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Cavidad por escorias: Son intrusiones de escoria en el cuerpo de la pieza moldeada, que han penetrado en el molde a través de la cuchara. Las causas de este tipo de defecto son: eliminación insuficiente de las escorias del metal en la cuchara, colada incorrecta y construcción incorrecta del sistema de alimentación. Deformación: Aparece debido a que las paredes de la pieza son de un grueso desigual. Es conveniente mejorar la construcción de las piezas y emplear enfriadores para enfriar los conjuntos macizos de la pieza moldeada (partes gruesas). Salpicaduras: Son gotas de metal no soldadas con la pieza moldeada que caen primeras al molde. Estas gotas se endurecen en forma de fundición blanca, no se disuelven en el metal y hacen más difícil la elaboración de la pieza al corte. Colada Incompleta: Que conduce a que una parte del molde no se llene con metal, tiene lugar debido a la fluidez insuficiente del metal, y cuando los gases impiden llenar el molde. La colada incompleta se observa también cuando el metal se escapa a través de la hendidura que se forma a lo largo de la división del molde, a consecuencia de la mala sujeción de las cajas. (Cole, G.S.2000, 142) EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 71

83 CAPÍTULO III PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN III.5 CÁLCULO DEL SISTEMA DE ALIMENTACION Los sistemas de alimentación son creados por el modelista en base a su experiencia por medio de ensayo y error, así mismo son una técnica para facilitar la fabricación de piezas de fundición, el cálculo se basara en libros consultados los cuales aparecen al final de este trabajo, así mismo se adaptaran en base a la experiencia de los fundidores consultados. III.5.1 Basín Este se diseñara de modo que sea suficientemente grande para permitir la caída del metal, además será suficientemente profundo para evitar la aspiración de aire y por consecuencia la oxidación. Cálculo De acuerdo a la tabla citada con anterioridad podemos determinar las dimensiones del basín, en base a la altura del bebedero, estos valores se muestran en la tabla III.1: Tabla III.1. Dimensiones del Basín Altura del bebedero: Altura del Basín Diámetro del Basín 380 mm 95.2 mm 80 mm EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 72

84 CAPÍTULO III PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN III.5.2 Bebedero El diseño del bebedero será determinada por las siguientes características: Cónico, con la menor área en el fondo a fin de minimizar el efecto de vórtice y evitar el atrapa miento de burbujas de aire durante el vaciado del metal. Cálculo Obtener H (Altura del Bebedero) H = h 1 + h 2 h 1 = Altura del basín= mm h 2 = Altura de la semicaja superior de moldeo= mm H = 50.8 mm mm= mm De acuerdo al siguiente nomograma y con los pasos siguientes calcularemos el diámetro inferior y superior del bebedero: 1. El valor H (Altura del bebedero) se ubica en la escala H de la gráfica (figura III.5), considerando un coeficiente de descarga (Cd) de 0.6, se unen ambos puntos a través de una recta, marcando el punto de intersección en la escala I. 2. A partir del punto de intersección en la escala I, se traza la recta que pasa por la escala V, (considerando que la velocidad de vaciado es de 11 lb/seg); y se extiende hasta la escala D, para obtener la parte inferior del bebedero d 1 = 37.6 mm. 3. A partir de d1 en la escala D, se traza una recta que continua hasta la escala H con el valor H = 347.6mm, esta recta intercepta un punto en la escala A. 4. Con el valor de h1=40.64 mm, en la escala H se traza una recta que intercepte la línea de referencia A, continuándola a la escala D, para así obtener el diámetro de la parte superior del bebedero d 2 = 50.8 mm. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 73

85 CAPÍTULO III PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Figura III.5. Nomograma para el cálculo del bebedero EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL Página 74

86 CAPÍTULO III PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN III.5.3 Pozo El diseño del pozo será determinado por las siguientes características: No tendrá aristas ni esquinas, se realizara de forma circular y el fondo plano para reducir la tendencia a la turbulencia y la aspiración de aire. El diámetro del pozo puede ser 1.5 veces el diámetro del bebedero. La profundidad puede ser 1.2 veces la profundidad del canal o 2 veces el diámetro del bebedero. Cálculo Diámetro del pozo (Dp) = (1.2) x (d 1 ) bebedero) Dp = (1.2) x (37.6 mm) = mm Altura del pozo (Hp) = 2 (d 1 ) bebedero Hp = (2) x (37.6 mm) = 75.2 mm III.5.4 Canal de alimentación Será de sección rectangular y se diseñara de tal forma que permita distribuir el metal de forma uniforme a la válvula. Cálculo El área transversal del canal es igual al área transversal del bebedero en d1. Por lo tanto: Área transversal ( ) Área del Canal (Ac) = mm 2 Ac = Altura del canal (hc) x Ancho del canal (Wc) EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 75

87 CAPÍTULO III PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Ac = hc x Wc hc x Wc = mm 2 Si Wc = 1.2 hc hc x 1.2 hc = mm 2 hc = Entonces: Wc = 1.2 (hc) Wc = 1.2 x 30.41mm = mm Luego las dimensiones del canal serán: Altura hc = mm Ancho Wc = mm III.5.5 Ataques El diseño de los ataques serán determinados por las siguientes características: De sección rectangular, estarán por la parte media del plano de partición así mismo serán distribuidos de tal manera que se distribuya de forma uniforme el material. Cálculo Para una válvula de 289 mm de longitud será conveniente 2 ataques. El área de los ataques (Aa) = 1.2 Área transversal (d 1 ) EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 76

88 CAPÍTULO III PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Aa= 1.2 ( mm) = mm 2 Área por ataque = mm 2 / 2 = mm 2 Área del ataque (Aa) = Altura del ataque (ha) x Ancho del ataque (Wa) Aa= ha x Wa = mm 2 Si: Wa = 1.2 ha Aa = ha x 1.2 ha = mm 2 Wa = 1.2 X mm = mm Luego las dimensiones de cada ataque serán: Altura ha = mm Ancho Wc= mm III.5.6 Mazarotas Las mazarotas o cargadores, son partes del molde que contienen el metal líquido necesario para poder compensar los efectos de la contracción liquida y de solidificación. Para ello debe de tener la siguiente propiedad: Conservar el metal en estado líquido más tiempo que la pieza, es decir que sean las ultimas en solidificar. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 77

89 CAPÍTULO III PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Cálculo En relación al volumen de la pieza= mm 3 Utilizaremos un 23% del total de la pieza para el diseño de las mazarotas esto es: 50.8mm x 50.8 mm determinado por un volumen de: mm 3, figura III.6. Figura III.6. Representación del Sistema de Alimentación y Válvula. III.6 CÁLCULO DE TIEMPO DE SOLIDIFICACIÓN DEL SISTEMA El tiempo total de solidificación es el tiempo necesario para que la fundición solidifique después del vaciado. Este tiempo depende del tamaño y de la forma de la fundición expresada por una relación empírica conocida como regla de Chvorinov.. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 78

90 CAPÍTULO III PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN III.6.1 Bridas de la válvula III Cálculo del volumen de la brida macho Formula III Cálculo del área de la brida macho Formula EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 79

91 CAPÍTULO III PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Convertimos el área y volumen a pulgadas para utilizar la regla de Chvorinov tsm = 6.75 x 1.2 = 8.1 min III Bridas laterales EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 80

92 CAPÍTULO III PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Convertimos el área y volumen a pulgadas para utilizar la regla de Chvorinov EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 81

93 CAPÍTULO III PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN tsm = 6.28 min x 1.2 = 7.53 min III.6.2 Mazarotas II Cálculo de Volumen de las mazarotas Formula: III Cálculo de Área de las Mazarotas Formula: EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 82

94 CAPÍTULO III PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Convertimos el área y volumen a pulgadas para utilizar la regla de Chvorinov EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 83

95 CAPÍTULO III PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN II.6.3 Canal de Alimentación II Cálculo de Volumen del canal de alimentación Formula: ( ) ( ) V = mm 3 II.6.3.2Cálculo de Área del canal de alimentación Formula: ( ( )) ( )( ) Convertimos el área y volumen a pulgadas para utilizar la regla de Chvorinov ( ) EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 84

96 CAPÍTULO III PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ( ) ( ) tsm = 2.82 min x 1.2 = 3.39 min EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 85

97 CAPÍTULO IV ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS Capítulo IV. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS IV.1. Obtención de resultados obtenidos En la fase de diseño del sistema de alimentación su propósito, basado en los requerimientos previamente obtenidos, es mostrar cómo éste permite obtener una pieza de fundición de mejor calidad a un costo menor. Muchos aspectos adicionales deben considerarse al implementar este sistema de alimentación a fin de minimizar la aparición de defectos. Deben evitarse los ángulos agudos en todas las partes del modelo, ya que estos concentran tensiones y son una causa de grietas en la pieza fundida. Deben ampliarse los radios, por lo menos a 2.81 mm, en todos los cambios de dirección y de sección de la pieza, ya que estos reducen la concentración de esfuerzos y logran un enfriamiento y contracción uniformes. Deben evitarse los cambios bruscos de sección, ya que éstos provocan fallas durante el enfriamiento. Es muy importante también considerar los espesores mínimos de sección, ya que son de gran importancia en el diseño de cualquier tipo de pieza de fundición. Cuando se diseña un componente para fundición, se deben tener presentes varios factores esenciales, ya que omitir cualquiera de ellos va a influir negativamente en el costo de producción de las piezas. Así, se tienen que considerar, entre otros factores, la velocidad de alimentación del metal fundido en función de la velocidad de solidificación. Si el metal solidifica lentamente, las entradas del metal deben ser de menor sección, pero la posibilidad de interrupción del flujo del metal líquido por EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 86

98 CAPÍTULO IV ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS enfriamiento de una entrada reducida se incrementa con la disminución de su sección. En el caso específico de las piezas de hierro fundido, la sección de las entradas es siempre menor que las de otras aleaciones, por ejemplo de acero. Adicionalmente a esta consideración, la forma de estas entradas se diseña primordialmente para promover un flujo laminar en la pieza, que evite la formación de vacíos en la pieza fundida pero debe mantenerse el metal líquido en movimiento, en los alimentadores, ya que se ha observado que la solidificación se retarda cuando el flujo del metal es turbulento. Los alimentadores calculados en este trabajo, garantizan la sanidad de la pieza al aportar el metal líquido necesario para evitar los defectos de solidificación, ya que el metal líquido en el interior de la pieza se contrae al solidificarse y por tanto es necesaria la aportación de metal líquido adicional durante el proceso de solidificación. Es esta la función principal de los alimentadores. De ahí la importancia de un buen cálculo del sistema de alimentación de las piezas de hierro gris. Se debe considerar, por tanto, que una solidificación prematura de la unión del alimentador con la pieza, causará rechupes en el interior de la pieza o también si el tamaño del alimentador no es suficiente, se formará en su interior un rechupe interno o secundario que afectará la parte de unión con la pieza. El metal debe entrar en la cavidad así como proporcionar una solidificación direccional. La solidificación debe progresar desde la superficie del molde a la parte del metal más caliente compensando así la contracción. Se debe prever que no entre la escoria u otras partículas extrañas a la cavidad del molde. La vasija o copa de vaciado, debe estar próxima a la parte superior al agujero del bebedero, facilitando el vaciado y eliminado la escoria. El metal debe ser vaciado de tal manera que la vasija de vaciado y el agujero del bebedero o canal de bajada estén llenos todo el tiempo. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 87

99 CAPÍTULO IV ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS Los rebosaderos, mazarotas o alimentadores que se colocan, proporcionan en los compensar las contracciones. Las mazarotas pueden ser tan grandes en sección, así como el resto del metal líquido, tan grande como sea posible, y puede localizarse cerca de las secciones grandes que pueden estar sujetas a una gran contracción. Si estas se colocan en la parte superior de la sección, la gravedad puede ayudar a la alimentación del metal en la propia pieza fundida, pero provocar problemas en el terminado de las piezas (corte y acabado) e incrementa los costos de producción (fig. IV.1) Figura IV.1.- Comparativo de alimentadores de una pieza de fundición. A la izquierda un alimentador tradicional. A la derecha un alimentador calculado en base a la relación de módulos pieza alimentador. Los rebosaderos o alimentadores ciegos son como rebosaderos con cúpula, se localizan en la mitad de la tapa de la caja, los cuales no tienen la altura completa de la tapa. Estos están normalmente colocados directamente sobre el canal, donde el metal alimenta dentro de la cavidad del molde y entonces alimenta de metal caliente cuando el vaciado está completándose. Algunos aspectos importantes que se consideraron en el cálculo del sistema de alimentación de la pieza de hierro gris, en este trabajo, son: EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 88

100 CAPÍTULO IV ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS Mínimo espesor. El mínimo espesor que puede ser obtenido mediante vaciado de una pieza depende, para cada metal o aleación, de factores como la longitud y el área superficial de la sección, así como también de su posición con respecto al sistema de entradas al molde. Las secciones delgadas requieren de apropiada disposición de los sistemas de entrada, porque si la longitud de la sección de espesor mínimo entonces, esta mínima sección debe aumentarse para garantizar el llenado de metal en dicha sección. Cambios de sección Cuando los cambios de sección de una pieza a ser vaciada son bruscos, donde hay masas localizadas de metal que conducen a puntos calientes, hay susceptibilidad a formación de grietas en caliente y a cavidades de rechupe. Los cambios progresivos de sección son más adecuados para el diseño metalúrgico, ya que se pueden realizar a las secciones y que son más comúnmente aceptados por los diseñadores mecánicos. Proceso de alimentación Al comenzar las contracciones de solidificación del conjunto alimentador pieza, empieza a formarse en la parte superior del alimentador un cono de rechupe que hace disminuir su volumen y a aumentar su superficie, lo que equivale a reducir su módulo. De ahí el coeficiente empleado sobre el módulo de la pieza que sirvió de base para el cálculo de alimentación de la pieza de este trabajo. Como este rechupe debe estar limitado antes de la superficie de la pieza para que ésta sea sana, es evidente que el volumen del rechupe será un porcentaje de la misma. R. Wlodawer ha calculado que, tomando por seguridad un rechupe que llegue sólo al 80% de profundidad del alimentador, el volumen del mismo supone un 14% del volumen inicial de la misma (fig. IV.2). EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 89

101 CAPÍTULO IV ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS Fig IV.2.- Sección longitudinal de una mazarota De esta forma, el proceso para el cálculo de los alimentadores y de todo el sistema se puede resumir en los siguientes pasos: a) División de la pieza en elementos simples de alimentación, contando con lo ya conocido de zonas alimentadas a través de otras, de zonas finales que, dicho de otro modo, se alimentan por sí solas. b) Cálculo de los módulos de cada elemento de alimentación c) Determinación del módulo de los alimentadores y del número de éstos con relación a las zonas alimentadas. d) Cálculo de la unión alimentador pieza en caso de no estar aquella aplicada directamente. e) Comprobación del comportamiento de los alimentadores en relación a la contracción total de las partes de la pieza consideradas, más sus alimentadores correspondientes. f) Reconsideración del cálculo en caso de no haber obtenido alimentaciones correctas. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 90

102 CAPÍTULO IV ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS Los porcentajes de alimentación para conseguir piezas sanas de hierro fundido, dependen del tamaño y geometría de la pieza y su influencia en el costo de producción puede ser significativa, sin embargo es imprescindible tener un cálculo de alimentación adecuado, ya que los riesgos de un mal cálculo encierra gravísimas consecuencia en defectos en las piezas fundidas. El sobrecalentamiento y composición de la aleación, son aspectos muy importantes. El metal fundido, calentado a una temperatura más alta, tiene un periodo de tiempo mayor en el molde antes de solidificar; por consiguiente, fluye mayor distancia que una aleación calentada a una temperatura más baja. La composición de la aleación afecta la fluidez y depende de las características de enfriamiento de las aleaciones con los elementos químicos que la componen. La mejor fluidez es observada en las aleaciones con los rangos de enfriamiento más estrechos como en los metales puros y en las composiciones eutécticas. Estas aleaciones tienen pequeña o ninguna región pastosa durante el proceso de solidificación. Sin embargo, una aleación con un gran rango de enfriamiento durante el flujo, a través del molde de prueba de fluidez, muestra una condición donde la aleación está en un estado pastoso. Esta es caracterizada por el entrelazamiento de dendritas y, en algunos casos, muchas islas de material sólido, rodeadas por líquido cerca de la temperatura de solidificación. En estos tipos de aleaciones es natural que la fluidez sea restringida. Ciertos elementos químicos, cuando son agregados a las diferentes familias de aleaciones, ayudan a incrementar su tiempo de vida como fluido. Por ejemplo cuando se agrega silicio a un acero al carbono común y a las aleaciones de aluminio, se incrementa su fluidez. El fosforo por otra parte, ayuda a incrementar la fluidez del hierro vaciado gris y en ciertas aleaciones a base de cobre. Un sistema de alimentación bien diseñado ayuda a evitar enfriamiento prematuro, turbulencia o gases atrapados. Para el cálculo de los alimentadores se utilizó el criterio de volumen, donde primero se determina el volumen correspondiente al volumen mínimo que debe tener el EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 91

103 CAPÍTULO IV ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS alimentador para compensar la contracción volumétrica de la pieza, que en el caso del hierro gris es del orden del 3 5 %, considerando que las partes delgadas no se cuentan porque enfrían muy rápido y el alimentador no le puede proporcionar metal para compensar su contracción que, por otra parte no le afecta. También este criterio sirve para establecer la distancia entre el alimentador y la pieza. El segundo criterio utilizado es el del módulo, que es un parámetro geométrico, que de alguna forma representa la velocidad o el tiempo de enfriamiento de la pieza, suponiendo un valor uniforme del coeficiente de transmisión de calor en toda la superficie. A partir de este criterio, puede deducirse que el alimentador ideal sería esférico, pero implica serias dificultades de moldeo, lo que deriva en formas cilíndricas más sencillas con una relación de altura a diámetro del orden H/D = 1; 1,5; 2; El módulo es determinante en el cálculo de los alimentadores, ya que éstos tienen que enfriar y por tanto, solidificar más lentamente que la pieza que alimentan. Lo que se pretende es determinar aquel diámetro D para que el alimentador solidifique después que la pieza. También es necesario considerar la posición del alimentador, que en algunas secciones será conveniente hacerla más elevada que la pieza para un correcto traspaso del líquido y para facilitar la separación de la pieza sólida. Es importante tomar en cuenta la humedad de la arena, así como el grano refractario de la misma, ya que, al tener contacto con la superficie de la pieza, ésta enfriará más rápido que el resto de la misma, lo que influye directamente en la velocidad de enfriamiento. Un aspecto que impacta directamente en las propiedades mecánicas de la pieza es sin duda la velocidad de enfriamiento, lo que está directamente relacionado con el molde elegido para la fabricación de la pieza, ya que en función de éste será la forma de los cristales de la estructura obtenida en la pieza. Generalmente se prefieren EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 92

104 CAPÍTULO IV ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS cristales equiaxiales, para evitar grietas. Si la velocidad de enfriamiento es rápida, se favorece la formación de cementita, lo cual imparte mayor dureza a la pieza pero a la vez mayor fragilidad (fundición blanca). Por ello se busca que la velocidad de enfriamiento sea lo más lenta posible, favoreciendo la formación de grafito (fundición gris) y haciendo el producto de mayor uniformidad aunque de menor resistencia. Como es previsible, el método de entrada del metal líquido de forma directa produce cierta erosión por lo que es conveniente buscar otros métodos de alimentación. El problema principal es que algunos de éstos son de difícil ejecución. En el sistema de distribución y alimentación se debe tener en cuenta cual va a ser el tiempo de llenado, que depende de la temperatura de entrada del material, forma de la pieza, tipo de arena, etc. Los tiempos límites para evitar defectos superficiales son menores en los métodos de colada directa o ataque horizontal que en sifón. Las secciones de la pieza que requieren mazarotas, serán aquellas que cumplen con que: El metal solidifique en capa continua El coeficiente de contracción del líquido es alto (mayor del 3%) La pieza tiene cambios de sección pronunciados Tiene partes que van mecanizadas o que se van a taladrar Si la mazarota es necesaria, para calcularla se aplican los dos criterios, el de volumen y el del módulo de enfriamiento, que se explicó en párrafos anteriores. La capacidad de auto alimentación es una característica de los hierros que permite de minimizar el número de mazarotas. Desgraciadamente esta capacidad no es una constante del material y puede variar en modo notable, dependiendo de la calidad del molde, de la llamada calidad metalúrgica (CM) y por último de la geometría o EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 93

105 CAPÍTULO IV ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS configuración de la pieza en cuestión. Estos factores no son gobernables al 100% y por este motivo una solución cierta para obtener piezas sanas debe prever un contacto bastante directo entre la mazarota y el punto o puntos calientes de la pieza. Para conseguir una mayor reproducibilidad, el módulo de la mazarota en general debe ser en lo posible un 20% mayor al del punto más caliente de la pieza. El modulo del cuello debe tener al menos el 70% del valor de este último. Entre los otros puntos calientes de la pieza y aquel mayor, se debe mantenerse un contacto térmico nuevamente igual al 70% del módulo del punto caliente considerado. Donde asegurar una buena direccionalidad, las mazarotas o alimentadores deben ser en lo posible calientes (con ingreso de caldo). Ello no es naturalmente necesario para las mazarotas ciegas o de menor tamaño. Funcionalidad de las mazarotas La funcionalidad de la mazarota es a su vez dependiente de la temperatura de vaciado y del diseño del sistema de llenado. Temperaturas bajas y/o ataques de colada gordos, en las mazarotas, apuntan a un fallo de las mismas con la consiguiente presencia de defectos, aún cuando las mazarotas son proporcionadas correctamente (fig.iv.3a). EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 94

106 CAPÍTULO IV ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS Fig.IV.3 (a) Mazarota rechupada superficialmente por pérdida de presión positiva; (b) radiografía de un conjunto mazarota- pieza en hierro: en la izquierda el contacto con la atmósfera ha sido mantenido, en cambio a la derecha no. La razón reside en el hecho que la mazarota perdiendo contacto con la presión atmosférica, no está en grado de bombear metal de alimentación a la pieza (fig.3b). De este fenómeno no son exentos ni siquiera las camisas, aislantes o especialmente las exotérmicas en el caso de bajas temperaturas de llenado (< 1300 C) (fig.iv.4a, fig.iv.4b). Los rechupes se localizan en la zona de contacto con la pieza si es que el punto caliente de esta se encuentra en esa zona. Si no el defecto permanece en el interior de la pieza (fig.iv.4c). Fig.IV.4 (a) Camisa aislante que se presenta exteriormente deprimida, signo de presión negativa (b) cavidad de rechupe consecuente en la zona de contacto. La causa: temperatura de vaciado demasiado baja (c) rechupe interior por fallo de la mazarota descubierto durante el mecanizado. Errores comunes de diseño Es sabido, por experiencia, que en el diseño de las mazarotas (y no sólo en el hierro) algunos errores se cometen en modo repetitivo por el personal de las oficinas técnicas. Tales errores son relacionados con: EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 95

107 CAPÍTULO IV ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS 1. Una errada valoración de módulos; 2. Un errado posicionamiento del las mazarotas; 3. Fallo en la identificación de fenómenos de saturación térmica; 4. Una errada distribución del metal. Valoración errada de módulos Con frecuencia las mazarotas se eligen sin realizar previamente un análisis de módulos de la pieza, en parte simplemente porque su cálculo no resulta fácil en caso de geometrías complejas. Cualquiera que sea la razón, el posicionamiento se hace basándose exclusivamente sobre las posibilidades de aplicación ofrecidas por el modelo. Ello conduce, normalmente, a tropezar con problemas de integridad que aunque leves pueden no ser tolerables. El uso de simulaciones, como las tomadas para este trabajo, minimiza ese riesgo. 1er caso En la fig. IV.5 el empleo de una minimazarota, mucho más caliente que la pieza, no ha evitado la presencia de porosidades en la zona interior de unión. La distancia al punto caliente es evidentemente excesiva. La simulación la ha evidenciado sin dificultad. La tonalidad del punto caliente anticipa una porosidad bastante visible. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 96

108 CAPÍTULO IV ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS Fig.IV.5 (a) La situación real (b) el modelo simulado con la minimazarota aislante en alto. 2 caso En la fig.iv.6 si ilustra un caso similar. La alimentación con el alimentador aislante, también mucho más caliente que la pieza, no ha podido evitar la presencia de porosidades en la zona bajo el círculo. Debido a la imposibilidad de modificar intempestivamente la geometría del modelo, en la zona del contacto, el defecto fue pronosticado. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 97

109 CAPÍTULO IV ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS Fig.IV.6 (a) La situación real (b) El modelo simulado. Posicionamiento errado Por posicionamiento errado se entiende la aplicación de mazarotas o camisas o aún minimazarotas en zonas relativamente frías, que no aseguran un contacto térmico suficiente con el punto caldo de la pieza. 1er caso. Piezas con bridas a L. Es costumbre en estos casos alimentar las piezas a través de la brida en modo lateral (fig.iv.7a). Fácilmente se pueden experimentar rechupes en la unión entre la brida y el cuerpo aún utilizando alimentadores aislantes (fig.iv.7b). Los elementos señalados indican los ingresos de metal. La solución sugerida en estos casos es aquella de aplicar la mazarota en posición frontal respecto a la brida evitando la unión (fig.iv.7c). De este modo la mazarota (con o sin camisa aislante) se posiciona en modo más favorable respecto al punto caliente. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 98

110 CAPÍTULO IV ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS Fig.IV.7 Solución tradicional en el mazarotado de piezas con bridas (a) el modelo inicial simulado (b) el resultado real (c) el modelo modificado simulado. 2 caso Piezas con uniones en T. En el caso de presencia de uniones en T evitar la aplicación de mazarotas, camisas aislantes, etc. en coincidencia a estas uniones, posibilita el potenciamiento del punto caliente presente en el interior de la unión existente (fig.iv.8a, fig.iv.8b). En estos casos el desplazamiento del punto de aplicación hacia el borde (menos caliente) de la brida superior asegura una mejor direccionalidad (fig.iv.8c). Fig.IV.8 (a) El caso real (b) la simulación (c) la modificación que resuelve la direccionalidad. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 99

111 CAPÍTULO IV ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS Presencia de formas de saturación Puede suceder a veces que aplicando la mazarota en piezas con bridas, como en el caso de este trabajo, siguiendo las indicaciones precedentes, las porosidades tiendan a persistir. También en este caso la simulación está en grado de anticipar tal evento (J. Beddoes, M.J. Bibbly,1999). 1er Caso En el caso ilustrado en la fig. IV.9a se evidencia una porosidad en la unión (bajo el circulo) a pesar de la aplicación, a breve distancia, de una minimazarota térmicamente suficiente (fig.iv.9b). El motivo se explica con fenómenos de saturación entre la minimazarota y la pieza (fig.iv.9c). Fig.IV.9(a) Defecto presente bajo el círculo a pesar del uso de una minimazarota (b) la simulación advierte una falta de direccionalidad (c) perfil de las temperaturas en la pieza y en el molde. La zona amarilla bajo el círculo señala una saturación térmica local del molde. 2 caso. Un defecto muy común, son los rechupes en los cuellos cuando las mazarotas o incluso camisas aislantes se posicionan en el interior de piezas, de forma anular o de revolución. EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 100

112 CAPÍTULO IV ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS Una fundición lamentaba rechazos por tal defecto que aparentemente se acentuaba cuando se recurría a una camisa aislante. La simulación ha evidenciado fenómenos de saturación térmica en el macho que contenía la camisa aislante (fig.iv.10) Fig.IV.10 (a) El análisis de módulos mostraba que la camisa aislante, en el interior del corazón, favorecía la formación de un punto caliente en la zona del cuello, que motivaba la presencia de defectos persistentes de rechupe (b) perfil de temperaturas: la zona del macho aparece térmicamente alterada. Respecto al sistema de moldeo elegido (moldeo en verde), se pueden mencionar sus ventajas y sus desventajas de este proceso. Ventajas: Amplia variedad de tamaños. Geometrías de complejidad media. Válido para cualquier aleación media. Piezas sin tensiones residuales. Económico: inversión en equipos reducida para series cortas o prototipos EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 101