Solidificacion y Enfriamiento

Proceso durante el cual, el Molde se enfria y solidifica.

Aspectos asociados:Tiempo de enfriamiento totalContraccion debido al cambio de

temperatura y cambio de fase.Solidificacion direccional.Diseño de las mazarotas.

Solidificacion (Metales puros)Los metales puros solidifican a una

temperatura constante (punto de fusión).Tiempo determinado en curva de

enfriamiento.Tiempo local de solificación: en el que el

calor latente de fusión escapa del molde.Tiempo total: desde que se vacia el metal en

molde hasta que se solidifica.

Curva de Enfriamiento del metal.

Energia Total de CalentamientoSe usan Hornos de calentamiento de varios

tipos para calentar el metal a una temperatura suficiente para la Fundición.

La energia total is igual a la suma:(1) EL calor para elevar la temperatura al

punto de Fusion, (2) El calor de fusion para convertir de solido a Liquido el metal (3) El calor para elevar la temperatura del metal a la temperatura de vaciado al molde

Ejemplo: )0 ()( fvlffs TTVCVHTTVCH

Un metro cubico de cierta aleacion eutectica se calienta en un recipiente de la temperatura ambiente =To= 27 C hasta 100 C arriba de su temperatura de Fusion =Tf+100 C

La densidad de la aleacion = 7.5 g/cm3, punto de fusion = 800C, calor especifico = 0.33 J/(gC) en estado solido y de 0.29 J/gC en estado liquido y el calor de Fusion = Hf= 160 J/g.

Cuanta energia en forma de calor se debe agregar para completar el calentamiento, asumiendo que no hay perdidas de calor

Llenado del moldeDespues del calentamiento, el metal esta

listo para el vaciado. La introduccion del metal en el molde incluyendo el flujo por los conductos es un procesos clave.

Para que este proceso sea exitoso, el metal debe fluir en todas las regiones del molde.

Factores; Temperatura de vaciado, Ritmo de vaciado, y turbulencia.

Formación de granos.Se forma una pelicula delgada de metal en la

pared del metal.Debido a la extracción rapida de calor desde las

paredes del molde.Los granos son finos, equiaxiales, y orientados

aleatoriamente.Los siguientes granos se forman en direccion

opuesta a las paredes del molde (granos columnares).

Crecimiento de granos columnares

•El calor se transfiere a travez de la costra y pared del molde.•Los granos crecen hacia delante como agujas de metal solido.•Tambien se forman ramas laterales.•Este crecimiento se le llama “crecimiento dendritico”

Solidificacion (aleaciones en general)La solidificación se lleva en un rango de

temperaturas.EL rango de Temp. Depende de cada

aleación.La solidificacion empieza en la linea de

liquidus y termina en la linea de solidus.Al inicio se forman los granos finos en las

paredes (igual que en metales puros).

Diagrama de Fase de Cu-Ni y curva de Enfriamiento.

Solidificacion (aleaciones)La solidificación progresa igual que antes

formando granos columnares dendriticos.Por la diferencia de temperaturas se forma

zona donde metal solido y liquido coexisten.La porcion solida forma una matriz que rodea

Islas de liquido: zona blanda.Puede ser una zona delgada u ocupar

grandes porciones.

Segregacion de composicion

Ocurre a nivel microscopica y macroscopica.El metal que se solidifica primero tiene mayor

composicion del metal con Tf mayor.Crea un desbalance entre el metal solido y el

metal que continua liquido.Microscopica. La dendrita inicialmente tiene

mayor cantidad de un elemento de aleacion.Al terminar de solidificar las dendritas contienen

mayor cantidad del elemento con menor Tf.

Segregacion de componentes de la aleacion en el centro de fundición.

Segregacion macroscopica.EL metal que se solidifica cerca de las

paredes tiene mayor composicion de un metal.

El metal remanente varia su composicion.EL metal en el centro del molde tiene una

composicion opuesta.Se genera Segregación de lingote o

transversal.

Tiempo de solidificacion.EL tiempo de

solidificacion depende del tamaño y forma de la fundicion y de las propiedades del molde.

Regla de Chvorinov.TST=tiempo de

solidificacion,V=volumen de la

fundicion.

n

m AVCTST

•A= area superficial del molde.• n= exponente (2)•Cm es la constante del molde.

Tiempo de solidificación (2)Condiciones particulares:Material del molde (calor especifico,

conductividad térmica)Propiedades termicas del metal de fundicion

(calor de fusion, calor especifico, conductividad)Temperatura de vaciado.El valor de Cm se puede determinar en

operaciones previas con mismo metal, material del molde, y temperatura de vaciado.

Regla de Chvorinov.Una fundicion con relacion (V/A) mayor funde

mas lentamente.Ayuda en el diseño de la mazarota.Metal en la mazarota debe permanecer fundido

mas tiempo que el de la fundicion.TST)mazarota > TST) fundicion.SI V/A es mayor para la mazarota podemos estar

mas o menos seguros que la fundición solidifica primero.

Contracción de la fundición.

Velocidad de Vaciado del MetalHay varias relaciones que govierenan el flujo de metal

liquido a travez del cono de vaciado.Una relación es el teorema de Bernouilli, que indica que la

suma de energias ( carga, presion, cinetica y friccion) en dos puntos de un liquido en flujo es constante.

Donde h = carga , cm (in), p=presion en el liquido = N/cm2 ; =densidad; g/cm3 ; v= velocidad del flujo; cm/s ; g = aceleracion de la gravedad=9.81 m/s/s y F = perdidas de carga por friccion.

Velocidad de llenado del MoldeLa ecuacion de Bernoulli se simplifica de varias formas. Si

ignoramos perdidas de friccion y asumimos que el sistema permanece a presion atmosferica,

Definimos un punto p1 en lo alto de la copa de vertedero, y un punto 2 en la base. Si el punto 2 se usa de referencia, entonces la carga en el punto 2 es cero (h2=o), y h1=h.

Cuando el metal se vacia en la copa de vertedero su velocidad inicial v1=0.