Post on 25-Jul-2015
Facultad de Ingeniería. UNLP
Departamento de MecánicaCurso: Metalurgia y Tecnología de las fundiciones Ferrosas
Docentes:
-Dr Ing Ricardo W Gregorutti
-Ing José L Sarutti
-Ing Jorge Grau
-Ing Carlos Miquelarena
Programa:
1-Estudio de moldeo, Procesos de moldeo,Sistema de alimentación
( Grau)
2-Conceptos de Solidificación, solidificación de una fase simple, solidificación del eutéctico, estructuras de colada.( Gregorutti)
3-Fundiciones de Hierro( Gris, Esferoidal, Vermicular) Generalidades.
(Gregorutti)
4-Obtención de las fundiciones de hierro:
4.a: Horno Cubilote (Miquelarena)
4.b: Horno Eléctrico (Sarutti)
5-Centrifugación (Miquelarena)
6-Fundiciones Blancas (Grau)
7-Aceros Moldeados (Sarutti)
Modelo:
Reproducción en positivo de la pieza que deseo construir
Se diferencia de la pieza por tener
Portadas para noyos
Salida
Radio de encuentro redondeados
Contracción del metal a fundir
Creces de mecanizado
Puntos de referencia para el mecanizado
La elección del tipo de modelo va a depender :
De la cantidad de piezas a fabricar
Del proceso de moldeo a utilizar
( en frío ó en caliente)
Tipos de Modelos:
En Madera
Metal ( Aluminio, Latón, Fundición Gris)
EPS
Resina ( Plástico)
Cera
Prototipeado rápido ( Estereolitografía)
A su vez pueden estar
Sueltos
Emplacados
EPS
EPS
Estereolitografía (prototipos rápidos)
Se usa una resina foto curable en base epoxi de baja viscosidad (165-195 cp a 30ºC).
Se utiliza un láser de Helio-Cadmio con una longitud de onda de 325 nm
Etapas de la fabricación del prototipo:
1-Se diseña el modelo en CAD, preferentemente usando programas en 3D
2-Se construye el objeto por SL
3-El objeto se verifica geométricamente y dimensionalmente
4- Si existen errores , se corrige el diseño en el CAD
Impulsor realizado por SL y luego fundido en cera perdida
Matrices realizadas por SL
LOM (Laminated Objet Manufaturing )
Sinterización selectiva
Método de moldeo: Manual
Automático
Moldeo Automático por choque de aire
Plano del modelo
El plano del modelo incluye:
Dimensión ± Creces + Contracción de la
Nominal mecanizado aleación
Tabla de creces de mecanizado y tolerancias para moldeo manual
Tabla de tolerancia para moldeo en máquina
Contracción del metal
Los metales al pasar de un estado a otro varía su volumen, por ello se debe tener en cuenta la contracción del metal.
El valor de la contracción varía para cada metal y
se puede separar en tres etapas:
Contracción líquida (El metal disminuye su volumen a medida que baja la temperatura)
Contracción de solidificación (El metal pasa de un líquido de alta viscosidad a un sólido)
Contracción en estado sólido ( El metal se sigue enfriando desdela temperatura de sólidus hasta la temperatura ambiente)
Metal Puro
Aleación
Fundición de hierro
Contracción en estado sólido
∆L =α ∆T
Siendo α: Coeficiente de dilatación lineal
Arenas y tierras de moldeo
Propiedades de las arenas y tierras de moldeoPlasticidad: Para que al compactarla tome la forma del modelo
Consistencia: Para mantener la forma que adquirieron al moldearla
Resistencia: Para aguantar al manipuleo, los noyos y la presión metalostática
Permeabilidad: Para que permita el escape del aire y de los gases generados en la colada
Refractariedad: Para evitar la sinterización de la arena, debido al que la temperaturas de colada supera al punto de fusión de las arenas silíceas ( se mejora con pinturas o cambio del tipo de arena)
Procesos de moldeo
A-Molde permanente:
Coquilla
Fundición a presión Caja fría
Caja caliente
Fundición centrifugada
B- Molde perecedero
Arenas
Tierras
Cerámico Cera Perdida ( investment Casting)
Shaw
Tierras de moldeo
Naturales
Sintéticas
Arcillas de moldeo :
Para aglomerar las tierras sintéticas se utilizan arcillas minerales cuyo mayor constituyente es el silicato de aluminio
hidratado (montmorillonita)
Bentonita Caoilnes
Arenas de moldeo:
A) Caja Fría
B) Caja caliente
C) Arenas con cemento
D) Arenas con silicato de sodio
A-Caja fría:
Alkydica
Furánica
Fenólica uretánica
Fenólica ester
Tea
Resina alkydica
Parte A (resina propiamente dicha)
De 1 al 5 % del peso de la arena
Parte B ( Octoatos de cobalto y plomo)
Hasta el 8% del peso de la resina
Parte C ( polimerizante)
20 % del peso de la resina
Furánica
Componentes: Resina
Catalizador
Se la utiliza para moldes y noyos, posee mejor colapsabilidad que la alkydica y mejor resistencia en caliente
Resina......................................2% peso arena
Catalizador ............................20% peso de la resina
Vida de banco.........................7 minutos
Fenólica uretánica
Consta de 2 resinas y un catalizador
Permite vida de banco de 3 a 16 minutos
Tiempo de desmoldeo de 4 a 20 minutos
Se puede fundir a la hora de haberse fabricado
Usos: moldes y noyos
Tipo de mezcladora: continua
En el proceso “pep-set” el curado no depende del aire y no produce agua como sub producto del fraguado
Resina 11.................0,5 a 0,6 % del peso de la arena
Resina 22..................0,5 a 0,6 % del peso de la arena
Catalizador...................8 % del peso de la resina 11
En las mezcladoras continuas se adiciona primero la resina 11( con el catalizador) y a una distancia la resina 22
Fenólica caja fría ( fenotec)
Es una resina fenólica que es polimerizada por un Ester orgánico a temperatura ambiente.
Propiedades
•No posee nitrógeno
•Puede colarse 2 o 3 horas después de hecho el molde
•Produce muy bajo nivel de gases
•Posee poca distorsión en verde ya que polimeriza rápidamente
•Buena resistencia en caliente
•Buena terminación superficial
•Vida de banco variable de acuerdo al catalizador
•Puede usarse en mezcladoras continuas o convencionales
Resina ...............................1 a 2% del peso de la arena
Catalizador....................................20 al 30 % del peso de la resina
Vida de almacenamiento aproximada 3 meses
TEA ( cold box)
El proceso TEA, caja fría, consta de dos resinas y un catalizador, siendo este ultimo un compuesto amoniacal adicionándose entre 3,5 al 4,5% del
peso de la resina. Es uno de los primeros procesos desarrollados.
Proceso:
Se mezcla la arena con las resinas y se coloca la mezcla en una caja de noyo y se coloca dentro de una cámara donde se sopla el catalizador, el
vapor del catalizador pasa a través del noyo y se produce la polimerización casi instantáneamente.
Un exceso de polimerizador no produce ningún efecto
Los noyos recién curados poseen la máxima resistencia mecánica
Contra:
Se debe tener precaución con el catalizador ,
ya que produce irritación en los ojos, piel,
sistema respiratorio
Los gases se deben tratar antes de tirarlos a la atmósfera
B-Fenólica caja caliente
La resina fenólica caja caliente ( shell moulding, moldeo croning)
Utiliza una resina del tipo nova laca fenol formaldehído en solución alcohólica que en presencia de un catalizador se produce su
endurecimiento por medio del calor.
Se utiliza una resina en polvo ( en base a fenol, formol, ácido oxálico y hexametileno)siendo el ácido oxálico el catalizador y el hexametileno un retardador ya que se hace pasar la mezcla por rodillos calientes y antes
de que reaccione o fragüe se la enfría.
Una vez mezclada con la arena ( se llama arena prerevestida) se vierte sobre una placa modelo a 200- 250ºC y el hexametileno proveer el
formol necesario para completar la reacción
Resina....................3 al 5 % del peso de la arena
Catalizador....................15 al 20% del peso de la resina
Proceso
Se vierte la arena sobre la placa modelo (por medio de soplado o volteo) caliente a 200ºC, se la deja un cierto
tiempo que depende del espesor del molde cáscara o del noyo. Se extrae el molde.
La arena que no estuvo en contacto con la placa se puede re utilizar
Comparación de la resistencia a la tracción para caja caliente y fría con 1,5 % de resina
Idem anterior con 2 % de resina
Efecto de la humedad( 50 % )en la resistencia mecánica
Efecto del 90 % de humedad en la resistencia mecánica
Efecto de la evolución gaseosa en varios tipos de resina a 980ºC, aglutinados con un 2 % de resina
C-Arenas con cemento
Se las utiliza para moldes grandes y las partes externas del mismo, las que no van a estar en
contacto con el metal,
Ventajas:
Bajo costo
Alta rigidez
Desventaja:
Baja permeabilidad
Tiempo de secado
D-Arenas con silicato de sodio
Es unos de los primeros métodos de moldeo
Se mezcla la arena con silicato de sodio y luego se le hace pasar una corriente de Co2.
Una vez fraguado se lo debe calcinar, ya que la reacción es reversible con la humedad.
Se debe controlar el módulo ( relación entre el SiO2 / ONa
Ventaja:
Velocidad de fragüe
Sin toxicidad
Desventaja:
No posee colapsabilidad, por lo que debe usarse para moldes
externos
Una variante es usar diasetina para que fragüe. Esta variante posee
colapsabilidad
Control a las arenas y tierras de moldeo
A- Granulometría
B- Contenido de Humedad
C- Permeabilidad
D- Ensayos mecánicos
E- Refractariedad
A- GranulometríaSe mide el tamaño del grano de arena ya seco, haciéndolo pasar a
través de una serie de tamices estandarizados según AFS
Con ello sacamos el número de finura ( 50 – 55 AFS)
El porcentaje de cada medida de grano de una arena determinada incide sobre los factores:
Terminación Superficial
Permeabilidad
Resistencia
B-Contenido de humedad
Es importante el control en las tierras de moldeo ya que está directamente relacionado con las propiedades de los moldes
Una tierra muy seca es difícil de moldear y generalmente da baja resistencia mecánica.
Una tierra muy húmeda produce defectos superficiales como sopladuras. Deformaciones del molde y baja resistencia a la
compresión en verde.
C- PermeabilidadEs la propiedad que poseen los noyos o los moldes que permiten el
paso de un gas a través de ellos
Se evalúa el índice de permeabilidad
tsphVI..
.= V= Volumen de aire que atraviesa la
muestra.
h= Altura de la muestra
P= Presión manométrica
S= sección
t= tiempo
Preparación de la probeta
La dimensión de la probeta es de 2 pulgadas x 2 pulgadas
D- Ensayos Mecánicos
Dureza
Resistencia al corte
Resistencia a la flexión
Resistencia a la compresión
Resistencia a la tracción
DurezaSe aplica a los moldes con tierras de moldeo
y da una una rápida idea de su resistencia para soportar la presión y erosión del metal
fundido
Resistencia al corteSe utiliza la misma probeta para permeabilidad
Resistencia a la compresión en verde
Se utiliza la misma probeta , pero las mordazas del equipo son plana
Resistencia a la flexiónSe lo utiliza para las arenas con resina
determinándose la flexión en tres puntos
Nos da información de la relación arena / resina
33
.236..alf
alF
WMtRf ===
Resistencia a la tracciónSe lo utiliza principalmente para arenas con resina ( se lo puede utilizar para tierras de moldeo)y es un complemento de la flexión
E – RefractariedadLa Refractariedad es la propiedad de una arena de resistir las altas temperaturas del metal líquido sin
fundirse ni ablandarse.
Se usa una cinta de platino que se apoya sobre la probeta, la cinta está conectada a a un variador de
tensión para producir el calentamiento de la misma y se mide la temperatura a la cual el material se pega
Se mejora la Refractariedad con pinturas o cambio de material base ( sílice )
Zircón (ZrO2SiO2) con 67 % de óxido de Zirconio
Temperatura de fusión: 2550 ºC
Densidad :4,7
Cromita(FeO.Cr2O3) Con 68 % de Cr2O3: Temperatura de fusión :2180ºC
Densidad de 4 a 4,6
Olivinas ( Mg2SiO4) con con un 80% de ortosilicato de magnesio y hierro
Temperatura de Fusión: 1800ºC
Densidad : 3,25 a 4
Defectos debido al moldeDartas
Arrastre de arena (vencida)
Sinterización
Piezas incompletas
Gases ocluidos
Noyos flotados o rotos
Piezas fisuradas ( noyos no colapsables)
Sopladuras ( floculo de resina)
Piezas desfasadas
Sistema de alimentación
Todo aquel material que no forma parte de la pieza pero que
es necesario para que la pieza sea apta para el servicio
Sus partes:Basín
Bajada
Corrida
Ataques
Montantes
Escape de gases
Filtros cerámicos
Trampas de escoria
BasínConvencionales
Basín balsa
BajadaGeneralmente es cilíndrica, pero si consideramos que el metal es un
líquido viscoso ( cumple la LEY de Continuidad) y que cuando ingresa al molde cae libremente y aumenta su velocidad.
A1V1=A2V2
La conificación ideal de la bajada se obtiene de la combinación de la ley de Torricelli y la ley de continuidad
xx ghV 2= Y Vh.Ah= Vx.Ax
xhDD hx
4=
Corrida (canal distribuidor)
De acuerdo a que si el sistema es presurizado o no presurizado, varía la forma del canal
Sistema presurizado
Relación 3:2:1
Vena contraída
El efecto de la vena contraída :En la zona
superior ( U), la velocidad es menor y por lo tanto tenemos
mayor presión que en la zona inferior, lo cual
trae aparejado el ingreso de aire, oxidación del metal y formación de
escoria
Se soluciona adicionándole una bocha en el final del canal de bajada
AtaquesEl ataque es el nexo( la unión) entre el canal de alimentación y la pieza o
entre el montante y la pieza, generalmente controla la velocidad de llenado
De acuerdo al espesor de pared de la pieza tenemos ( para
fundición), una temperatura recomendada de colada
De acuerdo a la temperatura de colada obtenemos el espesor mínimo de ataque
Área de control
Si la pieza está completamente en la caja inferior
A
HV
gtAc .
2.1
1 =
Donde t= tiempo
V= volumen
Si la pieza está completamente en la caja superior
( )332 5,1.2.1
bHH
Vbgt
Ac−−
=
Si la pieza está dividida entre dos cajas
( )
−−+=
333 5,1
.2.1
bHH
VbHV
gtA cDc
Montantes
El montante es un reservorio de metal líquido, cuya
función es la de eliminar, compensar ó mover de
lugar la contracción líquida y la de solidificación (
rechupe) cuando un metal solidifica y enfría a
temperatura ambiente, siendo estas dos de las tres contracciones que sufre el
metal al enfriar
Diseño óptimo del montante:
Un buen diseño de montante
debe de proveer metal líquido en:
La cantidad correcta
El lugar correcto
El tiempo correcto
Ubicación de los montantes:
Para determinar la correcta ubicación de los montantes, se debe usar el concepto de solidificacisolidificacióón direccionaln direccional , evitando la formación de rechupes, donde la solidificación debe ir de la parte más alejada del montante, hacia el interior del montante
La contracción en la solidificación es alimentada por el metal líquido del montante.
La solidificación direccional depende de:
La aleación y su modo de solidificación.
El tipo de molde (metálico, arena)
El diseño de la pieza
Modo de solidificación
Metal puro Intervalo S/L corto
Intervalo largo Intervalo intermedio
Diseño de la pieza
Solidificación direccional
Distribución de temperatura cerca del final de la solidificación
Material acero al carbono
Longitudes máximas de placas de acero que pueden fundirse sin rechupe central
Material: acero al carbono
0,25/0,3%C; 0,05/0,1% Mn
0,35/0,5% Si
En el ejemplo se ilustra como se minimizan la cantidad de montantes, aumentando su radio de acción por
medio de enfriadores .Si el enfriador se coloca entre montantes, se
establece un efecto borde que no existe naturalmente
Tipos de Montantes:
Convencionales
.
Tipos de montantes convencionales
Montantes Exotérmicos
Las camisas, montantes y cubrientes se los clasifica según sus propiedades térmicas en:
Exotérmicos
Aislantes
Exotérmicos - aislantes
Montantes exotérmicosSe basan en la región de oxidación del aluminio para producir calor. Estos montantes son de relativamente alta densidad, poseyendo la matriz propiedades térmicas similares a las de la arena del molde ( esto es antes que la reacción exotérmica comience). Estos montantes exhiben un efecto chill inicial sobre la pared del montante, dando luego una fuerte reacción exotérmica que funde cualquier metal que halla solidificado..
Se basan el la reacción de reducción:
3 Fe3O4 + 2Al Al2O3 + 9Fe + 795 Kcal
Aislantes: Los montantes aislantes son realizados con materiales refractarios que poseen baja densidad, estos montantes tienen un efecto chillmuy bajo, debido a que lo aísla del medio ( molde). Como en el caso anterior, estos montantes se usan en tamaños chicos e intermedios y en aleaciones que tengan baja temperatura de colado..
No es recomendado para grandes montantes, debido a que los materiales de baja densidad se degradan térmicamente
cuando se los exponen a presión y temperatura alta por un largo período de
tiempo
Exotérmicos – aislantes
Consiste en un material exotérmico rodeado de un material aislante, siendo el más versátil de los tres ya que da un bajo chill inicial, una extensa reacción exotérmica y una buena aislación luego que la reacción exotérmica concluyó.Dichos material se los usa para la fabricación de montantes en todos los tamaños
Grafico comparativo de los tres
Cálculo del montante
A- Método del factor de forma ( Caine)
B-Método del módulo
C-Métodos computacionales
A-Factor de Forma
De acuerdo al diámetro
Ejemplo de aplicación del método del factor de forma
B- Método del móduloSe basa en el concepto de que el tiempo de enfriamiento de la pieza ó
sección puede ser aproximada usando la regla de CHVORINOV
22 2 2
2
Vct K K McAc
= =
donde t es el tiempo de enfriamientoVc es el volumen de la piezaAc es el área de la piezaK es una constante gobernada por el metal y las propiedades del molde
Este concepto fue desarrollado por Wlodawer para calcular en forma práctica los montantes, eliminando la necesidad del cálculo del tiempo de solidificación. Si simplificamos la ecuación anterior tenemos:
Mc=Vc/Acy a esta relación del volumen sobre el área de enfriamiento se lo denomina módulo.
Para aceros M m= 1,2 Mp
Para fundiciones grises Mm = 0,8 Mp
Wlodawer simplificó el método del módulo, demostrando que la mayoría de las piezas se pueden reducir a formas geométricas simples, donde el Mp se puede calcular fácilmente sin necesidad de cálculos elaborados, elaborando una carta de cálculo para las diferentes formas de montantes
C- Métodos computacionales
Son programas que simulan la solidificación ( por medio de elementos finitos) y predicen la eficiencia de los montantes. Estos programas calculan la transferencia de calor en el sistema pieza / montante.. Podemos mencionar entre ellos a “ AFSOLID 3D, NOVA CAST, MAGMA, ANSYS, etc.
Filtros cerámicos
Defectos debido al sistema de alimentación
Escoria
Inclusiones (endógenas)
Rechupes
Gases ocluidos
Líneas de flujo