Tecnología de los Procesos de Producción - Unidad 21: Conformación por Fundición y Moldeo - PDF

TECNOLOGÍA DE LOS PROCESOS DE PRODUCCIÓN UNIDAD 21: CONFORMACIÓN POR FUNDICIÓN Y MOLDEO CONTRACCIÓN Y RECHUPES La contracción es un fenómeno natural propio de todos los metales que solidifican. Básicamente el proceso ocurre en tres fases: 1) Co...

TECNOLOGÍA DE LOS PROCESOS DE PRODUCCIÓN UNIDAD 21: CONFORMACIÓN POR FUNDICIÓN Y MOLDEO CONTRACCIÓN Y RECHUPES La contracción es un fenómeno natural propio de todos los metales que solidifican. Básicamente el proceso ocurre en tres fases: 1) Contracción líquida: ocurre durante el enfriamiento del metal en estado líquido, cuando alcanza la temperatura de líquidus, 2) contracción por solidificación: ocurre durante el cambio de fase, líquido a sólido. El centro de la fundición sufre una contracción que origina un rechupe, 3) Contracción sólida o térmica: ocurre en la parte superior y lateral durante el enfriamiento de la fundición solidificada hasta la temperatura ambiente. Descripción esquemática del proceso de contracción considerando una condición asimétrica y un molde abierto  TECNOLOGÍA DE LOS PROCESOS DE PRODUCCIÓN UNIDAD 21: CONFORMACIÓN POR FUNDICIÓN Y MOLDEO CONTRACCIÓN Y RECHUPES Una vez que el material líquido ingresa al molde, se pierde calor a través de las paredes del mismo. Esto provoca que el material líquido primero se enfríe y luego solidifique progresivamente desde el perímetro hacia el centro. Este mecanismo puede hacer que por el fenómeno de la contracción termine generando rechupes (cavidades internas), dañando la pieza. Para evitar este inconveniente se puede: a) Usar enfriadores internos: Consiste en colocar pequeñas partes del material dentro de la cavidad antes de la colada para dirigir la solidificación de adentro hacia afuera, b) Utilizar enfriadores externos: Son insertos de metal que se colocan en las paredes de la cavidad para facilitar la remoción de calor del centro hacia afuera, c) Diseñar una mazarota: Reservorio de material fundido que sirve para compensar las contracciones que se producen durante el enfriamiento del material líquido y su solidificación.  TECNOLOGÍA DE LOS PROCESOS DE PRODUCCIÓN UNIDAD 21: CONFORMACIÓN POR FUNDICIÓN Y MOLDEO TIPOS DE MAZAROTAS Y SU UBICACIÓN RESPECTO AL MOLDE Las mazarotas pueden ser abiertas o cerradas (sumergidas) y ubicarse en la parte superior y en el lateral del molde. Las cerradas tardan más en  Techo solidificar que la abiertas Lateral La alimentación de secciones más gruesas puede hacerse a través de secciones más delgadas. Pero para ello las secciones más delgadas deben permanecer líquidas, hasta tanto se termine el tiempo de contracción de las partes más “gruesas”. (Monograma Figura 38).  TECNOLOGÍA DE LOS PROCESOS DE PRODUCCIÓN UNIDAD 21: CONFORMACIÓN POR FUNDICIÓN Y MOLDEO UBICACIÓN Y TIPOS DE MAZAROTAS – ZONA DE ACCIÓN La determinación de la mazarota (Risers) se basa en dos factores: El tiempo de solidificación de la mazarota debe exceder al de la pieza, La mazarota debe suministrar suficiente material para compensar tanto la contracción líquida como la contracción por solidificación. Después de muchos años de investigación sobre piezas fundidas, se encontró que existe una relación entre el volumen y el área sobre la cual se disipa el calor. Esta relación fue propuesta por varios investigadores, pero en 1940 N. J. Chvorinoff demostró analíticamente que partiendo de la clásica ecuación de Fourier de la transmisión del calor, asumiendo que la temperatura en la superficie molde-metal se mantiene constante e igual a la temperatura del líquidus, mientras éste permanece líquido.  TECNOLOGÍA DE LOS PROCESOS DE PRODUCCIÓN UNIDAD 21: CONFORMACIÓN POR FUNDICIÓN Y MOLDEO DISEÑO DE LA MAZAROTA, USANDO LA REGLA DE CHVORINOV Para que la mazarota cumpla su función de alimentar metal fundido a la cavidad principal, el metal en la mazarota debe permanecer en fase líquida más tiempo que el metal en el molde; lo que implica que el módulo de la mazarota debe ser mayor al módulo de la pieza. Es decir: Importante: Ap es aquella superficie expuesta a las paredes del molde que disipan calor Para mazarotas de techo en Fundiciones grises, nodular y acero usualmente: MM = 1,20 MP Incrementar un 10% para mazarota con ubicación lateral. El volumen de la mazarota puede obtenerse, conociendo la contracción total de la pieza y considerando su eficiencia  TECNOLOGÍA DE LOS PROCESOS DE PRODUCCIÓN UNIDAD 21: CONFORMACIÓN POR FUNDICIÓN Y MOLDEO DISEÑO DE MAZAROTAS POR LA REGLA DE CHVORINOV Cálculo del módulo de solidificación en piezas de geometría compleja ¿A dónde ubicamos la mazarota? Siempre en aquella parte de la pieza que solidifica por último, o sea la de mayor módulo. Para minimizar los efectos dañinos de la contracción, es conveniente que las regiones de la fundición más distantes a la fuente de metal líquido se solidifiquen primero, y que la solidificación progrese de estas regiones hacia la mazarota. Es por ello, que siempre conviene analizar las piezas a fundir por partes, a fin de saber cuál de ellas solidifica primero y en cual existe mayor riesgo o peligro de formación de rechupes. Justamente, la técnica que aprovecha la solidificación direccional se logra aplicando la regla de Chvorinov.  TECNOLOGÍA DE LOS PROCESOS DE PRODUCCIÓN UNIDAD 21: CONFORMACIÓN POR FUNDICIÓN Y MOLDEO DISEÑO DE MAZAROTAS POR LA REGLA DE CHVORINOV Cálculo del módulo de solidificación en piezas de geometría compleja ¿A dónde colocar la mazarota? Esto también sirve para saber como ubicar el modelo en la caja a la hora de moldear; que dependerá de la ubicación de los canales de ataque con relación a la pieza a la zona.  TECNOLOGÍA DE LOS PROCESOS DE PRODUCCIÓN UNIDAD 21: CONFORMACIÓN POR FUNDICIÓN Y MOLDEO DISEÑO DE MAZAROTAS POR LA REGLA DE CHVORINOV Cálculo del módulo de solidificación en piezas de geometría compleja ¿A dónde colocar la mazarota?  TECNOLOGÍA DE LOS PROCESOS DE PRODUCCIÓN UNIDAD 21: CONFORMACIÓN POR FUNDICIÓN Y MOLDEO DISEÑO DE MAZAROTAS POR LA REGLA DE CHVORINOV Así como está planteado puede verse que nos dá una mazarota “sumergida”, la cual tendría una mejor eficiencia que una abierta. Finalmente lo que debe hacerse es recalcular el módulo de solidificación de la zona II descontando ahora el área del canal de aportación de la mazarota para ver si efectivamente se sigue cumpliendo que: Mm  Mp También convengamos que el módulo de la mazarota es acorde a su diseño ya que al estar sumergida todas sus superficies disipan calor. Sin embargo, si se adopta hacerla abierta, habrá que recalcular también su módulo de solidificación y verificar nuevamente; ya que la parte superior de la misma disipa muy poco calor con respecto a las paredes en contacto con la arena del molde, lo que daría un modulo mayor. Restaría por verificar si el volumen de la mazarota está de acuerdo con la contracción de la pieza, que dependerá de su eficiencia y radio de acción  TECNOLOGÍA DE LOS PROCESOS DE PRODUCCIÓN UNIDAD 21: CONFORMACIÓN POR FUNDICIÓN Y MOLDEO DISEÑO DE MAZAROTAS POR EL MÉTODO DE R. WLODAWER PARA FUNDICIONES DE HIERRO Este concepto fue tomado por R. Wlodawer para calcular de forma práctica los montantes en fundición gris, eliminando la necesidad del cálculo del tiempo de solidificación. Wlodawer simplificó el método de cálculo del módulo solidificación, elaborando diferentes monogramas, demostrando que la mayoría de las piezas se pueden reducir a formas geométricas simples. Debido a que la fundición gris posee un tiempo relativamente corto para contraerse (no para solidificar), con un tiempo de colada más largo se puede compensar en una parte sustancial la contracción en el metal que va llenando la cavidad. Esto se conoce como Auto-alimentación. Cuando se trata de piezas con paredes delgadas, el tiempo de solidificación es menor, y por ende tardan menos tiempo en contraerse, con lo que el porcentaje de auto-alimentación debe ser más acusado. En el diagrama siguiente se muestra directamente la autoalimentación en función del tiempo de líquidus y del módulo de la pieza, mientras el tiempo de colada sea aproximadamente igual al de “líquidus” de la pieza fundida. Si el tiempo de “líquidus” fuese considerablemente mayor que el tiempo de colada, la autoalimentación será insignificante por el decrecimiento de la velocidad de contracción.  TECNOLOGÍA DE LOS PROCESOS DE PRODUCCIÓN UNIDAD 21: CONFORMACIÓN POR FUNDICIÓN Y MOLDEO DISEÑO DE MAZAROTAS POR EL MÉTODO DE R. WLODAWER PARA FUNDICIONES HIERRO En la figura se ilustra la relación entre la temperatura de líquidus” y el grado de saturación. ¿Qué es el grado de saturación? Qué tiene que ver el Si en todo esto? Porque el Si desplaza el punto eutéctico hacia valores de carbono menores, aumentando por lo tanto el grado de saturación. Esto hace que la fundición de hierro pase de la blanca a la gris. Es la relación entre el contenido de Es por eso que en las carbono real presente, al contenido fundiciones debemos hablar de un carbono de carbono que debe tener en una equivalente CE. aleación eutéctica, donde Sc = 1 C.E.=%C+1/3%Si+%P Cuanto menor sea Sc, mejores serán las características mecánicas de la fundición obtenida.  TECNOLOGÍA DE LOS PROCESOS DE PRODUCCIÓN UNIDAD 21: CONFORMACIÓN POR FUNDICIÓN Y MOLDEO DISEÑO DE LA MAZAROTA – (RISERS) POR EL MÉTODO DE R. WLODAWER PARA LA FUNDICIONES DE HIERRO Determinación de la contracción por solidificación para fundición de grafito laminar – fundición gris Contracción Total Ct = A  C A es el decrecimiento de la contracción por la auto- alimentación. Nomograma 34 para la determinación de la contracción/dilatación y del tiempo de contracción en % del de solidificación, de acuerdo con la composición química, módulo de enfriamiento y la temperatura del colada según R. Wlodawer.  TECNOLOGÍA DE LOS PROCESOS DE PRODUCCIÓN UNIDAD 21: CONFORMACIÓN POR FUNDICIÓN Y MOLDEO DISEÑO DE LA MAZAROTA, POR EL MÉTODO DE R. WLODAWER PARA LA FUNDICIONES DE HIERRO Decrecimiento de la contracción en la solidificación, en % de la auto-alimentación para la fundición gris. La autoalimentación en dependencia del tiempo de líquidus y del módulo de la pieza. Válido cuando t col  tlíquidus. Experimentalmente se cumple para piezas con módulos menores a 2 cm.  TECNOLOGÍA DE LOS PROCESOS DE PRODUCCIÓN UNIDAD 21: CONFORMACIÓN POR FUNDICIÓN Y MOLDEO DISEÑO DE LA MAZAROTA POR EL MÉTODO DE WOLODAWER DISEÑO DE LA MAZAROTA Tiempo de contracción en % del de solidificación. Sale del monograma 34 Mp = Módulo de la pieza Pp = Pesos de la pieza  TECNOLOGÍA DE LOS PROCESOS DE PRODUCCIÓN UNIDAD 21: CONFORMACIÓN POR FUNDICIÓN Y MOLDEO INFLUENCIA DEL TIEMPO DE CONTRACCIÓN SOBRE LA FORMA AÚN ALIMENTABLE DE LA PIEZA Las secciones más delgadas deben permanecer líquidas sólo hasta tanto termine el tiempo de contracción de aquellas partes o nervios gruesos (o de mayor módulo de solidificación) Concepto: En fundición gris, es posible alimentar los engrosamiento a través de las partes delgadas ya que el tiempo de contracción es sólo una fracción del tiempo de solidificación total Monograma para relacionar módulos entre partes