Diseño, Procesos, Hornos y Ensayos 67.50 Materiales Ferrosos y sus aplicaciones

Temas a Desarrollar Criterios para diseño de piezas fundidas. Procesos de fabricación. Dimensionamiento de piezas. Ensayos. Hornos.

Criterios para diseño de piezas fundidas Posiciones de moldeo Proceso de moldeo a utilizar Forma de la pieza Contrasalidas Serie Costos Fallas y condiciones de colado Elementos favorecedores para un colado correcto.

Criterios para diseño de piezas fundidas

Criterios para diseño de piezas fundidas

Criterios para diseño de piezas fundidas

Criterios para diseño de piezas fundidas Elementos de un molde Caja Bajera (Drag) Caja Sobre (Cope) Grampas de caja Noyo (Core) Portada de noyo (Print) Canal de colada (Runner) Ataque (Gate) Salidas de gases (Vent) Montante (Risers) Basin (Vasín) Linea de cierre (arting Laine)

Criterios para diseño de piezas fundidas Elementos de un molde Caja Bajera (Drag) Caja Sobre (Cope) Grampas de caja Noyo (Core) Portada de noyo (Print) Canal de colada (Runner) Ataque (Gate) Salidas de gases (Vent) Montante (Risers) Basin (Vasín) Linea de cierre (arting Laine)

Como mejorar el colado Considerar el gradiente de solidificación Colocar montantes Asegurar alimentación suficiente Reducir el número de uniones y elegir con preferencia las uniones en L Ensanchar secciones hacia el montante Evitar superficies planas en parte superior Evitar puntos calientes aislados En fundición gris, no usar espesores menores a 6 mm

Criterios para diseño de piezas fundidas

Criterios para diseño de piezas fundidas

Criterios para diseño de piezas fundidas Análisis del calentamiento del metal H = ρ V [ CS (TF – TA) + HF + CL (TC – TF) ] Donde: H = Calor requerido para llevar un volumen V de metal a la temperatura de colada ρ = Densidad del material CS = Calor específico del metal en estado sólido TF = Temperatura de fusión TA = Temperatura ambiente HF = Calor de fusión CL = Calor específico del metal en estado líquido TC = Temperatura de colada

Criterios para diseño de piezas fundidas Aplicando fórmula de Bernoulli al problema de la colada, tenemos que: h1 = h ; h2 = 0 p1 = p2 = 1 atm v1 = 0 ; v2 = v F1 = F2 = 0 (despreciando las pérdidas por fricción) En estas condiciones: v = Velocidad del metal en la garganta

Criterios para diseño de piezas fundidas Es conveniente que el flujo sea laminar, y no turbulento para evitar la erosión del molde y el arrastre de impurezas. Para ello, el Número de Reynolds debe ser menor a: Re = v D ρ / μ ≤ 2000 Tomando valores típicos para D, ρ y μ, tenemos que: v ≤ 1 a 1,5 m/s Tiempo de llenado del molde: Donde: V = volumen de la cavidad del molde v = Velocidad del flujo Q = v.A A= Sección

Criterios para diseño de piezas fundidas Estructura granular típica de aleaciones donde se aprecia la segregación de los componentes de aleación en el centro

Criterios para diseño de piezas fundidas Regla de Chvorinov 𝑇 𝑆𝑇 = 𝐶 𝑀 𝑉 𝐴 𝑛 Donde: TST = Tiempo de solidificación total CM = Constante de molde V = Volumen de la fundición A = Superficie de la pieza n = exponente normalmente de 1,5 a 2

Criterios para diseño de piezas fundidas Regla de Chvorinov Para dimensionar los montantes (Risers), se debe considerar que buscamos que su TST sea un 20% a 25% mayor que el de la pieza, para asegurar que sea el ultimo punto en solidificar. 𝑇 𝑆𝑇A =1,2 𝐶 𝑀 𝑉 𝑃 𝐴 𝑃 𝑛 = 𝐶 𝑀 𝑉 𝐴 𝐴 𝐴 𝑛 Donde: TSTA = Tiempo de solidificación total del montante CM = Constante de molde V = Volumen de la pieza / montante A = Superficie de la pieza / montante n = exponente normalmente de 1,5 a 2

Criterios para diseño de piezas fundidas Regla de Chvorinov La geometría con la menor Superficie y el mayor volumen que para maximice el tiempo de solidificación, sería una esfera, pero por simplicidad constructiva, se usan cilindros. Entonces AA = 2 π/4 D2 + π D H VA = π/4 D2 H r = H/D Donde: D = Diámetro del montante H = Altura del montante r = Razón entre altura y diámetro. Se pueden asumir distintos valores, por ejemplo 3,5 De allí se puede despejar el volumen del Montante o montantes a usar.

Procesos de fabricación Manual con modelo suelto Con máquina automática Con placa modelo A modelo perdido A cera perdida Shell moulding

Manual con modelo suelto

Con máquina automática

Con Placa modelo

A modelo perdido

A cera perdida

Shell Moulding

Procesos de fabricación

Fallas Fisuras (por contracción, distintas secciones, impurezas) Grietas (por concentración de tensiones) Alabeo (por espesores finos) Fallas de llenado (enfriamiento prematuro, falta de caudal, acumulación de gases) Rechupes (por contracción y falta alimentación) Puntos vacíos y exceso porosidad (gases) Mala terminación ( arena suelta, fund. Fría) Uniones c/rebabas (presión ferroestática, falla en el cierre entre bajera y sobre)

Arenas para moldes Características: Plasticidad (p/copiar la forma) Consistencia (p/mantener la forma) Permeabilidad (p/eliminar gases y aire) Refractarias (p/evitar la siterización) Colapsables (p/deshacer y permitir el desmoldeo)

Tipos de arena Naturales: tienen baja refractabilidad por impurezas y dado el contenido de arcilla no necesita aglutinantes. Verde sintética: arena de cuarzo + +bentonita+agua (forma ligante gelatinoso) son menos permeables (p/pzas. chicas) Autofraguantes: arena de cuarzo + resinas fenolicas o aceite de lino + catalizador (p/piezas grandes) Para Shell Moulding : arena de cuarzo + resina que cataliza con la temperatura.

Tipos de arena Con cemento: arena silícea + cemento + melaza (colapsabilidad) (p/pzas de gran tamaño) Con silicato: arena de cuarzo + silicato de sodio (higroscopicas) (moldes baratos)

Arenas para noyos Shell moulding: buena terminación. Para noyos pequeños. Autofraguante: Pequeñas series (20´fragua). Noyos de distintos tamaños Método caja fría: arena + resinas fenólicas (p/grandes series y noyos medianos) Método caja caliente: idem anterior pero cura con temperatura (noyos de mayor tamaño)

Materiales para modelos Madera: baja serie y moldeo manual Plástico: p/cera perdida, alta calidad, bajo costo Fundición de hierro :altas series, buena terminación Latón o aluminio: p/altas series, piezas pequeñas. Telgopor: máx. 5 unidades o molde perdido

Dimensionamiento de piezas Establecer sobre espesores que consideran: Contracciones por solidificación Espesores por mecanizado Descarte por corte de coladas Rebabados

Dimensionamiento de piezas Concepto

Dimensionamiento de piezas

Fórmulas de compensación a’= a + cm + td Donde: a= medida nominal a´= medida final pieza en bruto cm: creces por mecanizado td: tolerancia dimensional Considerando la contracción sin creces (pieza en bruto): a” = a + td + Ct Ct= contracción térmica

Tablas de Cm

Tablas de td

Control de calidad en piezas fundidas Controles de producción Controles de recepción

Controles de producción Materias primas: visual y quimico. Fusión: pesada de cargas y temperatura. Arenas: plasticidad, colapsabilidad, etc Tratamientos de cuchara: ferroaleaciones, temperaturas, microestructuras, peso. Colada: limpieza, temperatura y velocidad. Tiempo de desmolde: parámetros predefinidos en base a las caracteristicas de los materiales y la instalción.

Controles de recepción Inspección visual Microestructuras Tracción No destructivos Tintas penetrantes Rayos X Ultrasonido Magnaflux

Hornos para fundición Horno Cubilote Horno de Inducción

Horno Cubilote Ventajas: Desventajas: Baja inversión Alto rendimiento térmico Alta producción horaria (ø 600 mm = 2,5 t/h) Bajo costo operativo Buena calidad de fundición gris y nodular. Desventajas: Contaminación atmosférica. Exige muy buena programación de moldes. No permite corrección rápida de C.Q. Alta exigencia turnos.

Horno de Inducción Carga y Descarga : Principio: Un bobinado de Cobre exterior por el que circula una CA, induce un campo magnético en el material de carga, lo que genera corrientes parásitas sobre ésta, y por efecto Joule se funde. Carga y Descarga : Carga metálica (chatarra de fundición, aceros, retornos. Ferroaleaciones. Carbón molido para ajustar %C Descarga por volcado. Salda: Fundición Gris laminar, Nodular, Aceros y Especiales.

Horno de Inducción Ventajas: Desventajas: Baja contaminación ambiental. Fundiciones de mejor calidad y aleaciones No Ferrosas. Corrección de C.Q. más rápida. No agrega Fósfor ni Azufre. Mejor programación y menos exigencia operativa. Desventajas: Alta inversión. Alto costo de producción por costo de EE.

MUCHAS GRACIAS!