Cap12

ParteIt l

I Clol'l/ moldeo Fund Y a

rocesosafines

F U N D A M E N T ODSE L A D EM E T A L E S FUNDICIÓN DELCApírurrct CONTENTDO 12.1

12.2

12 . 3

clefr¡ncli<-iórl Resumende la tecnolog,ía clefundición 12.1.1 Procesos fundiciónen arena para 12.1.2 Moldes Calentamiento Y vaciado C a l e n t a m i e n tcol e lm e t a l 12.2.1 12.2.2Vaciadodel metalfundiclo 1 2 . 2 . 3A n á l i s i si n g e n i e r idl e l v a c i a d o 12 . 2 . 4 Fl ui d e z Solidificacióny enfriamiento 1 2 . 3 . 1S o l i d i f i c a c i ódne l o s m e t a l e s 1 2 . 3 . 2T i e m P od e s o l i d i f i c a c i ó n 12.3.3 Contracción 12 . 3 . 4 S o il d i f i c a c i ó nd i r e c c i o n a l 1 2 . 3 . 5D i s e ñ od e l a m a z a r o t a

dclltl'0tlc tllt tl tlll';.tlile¡'z¿t En el procesoclefuncliciónel nret¿rltunclidof luye por gr¿lvctlittl se tél'nrino.fiunlicititt til ntolde. tlel molcledoncfese solidificay toma la f-orntaclela cavidad de procesos aplicatambiéna la parteresultantecleesteproceso.Es r¡noclelos ntásarttigtlos 12.I ). til prirrci¡liode la ftlndiformadoque se remonta6 mil añosatriís(véasenotahistrilic¿t ltitytotlar'ía¡tlttcltos ción es simple:se f¡ncleel nretal,se vacíaen un moldey se tle.ileltfri¿tl'; exilos¿tde fttrldicióll. factoresy variablesque debemosconsitlerarpara lograrutraoper¿tcióll El tér¡lrinolinfitrrllas' tle fundición y la La fundiciónincluyela fulldiciónclelingotes una ttrnclición con las inilustriasde metalespritnaritls;clescribe gote se asociausualmente coltttl subsiguientes procesos en granclede forma simple,diseñadapara volver a fornrarse dc.fitrerteI cit¡rílttlo7. L'ir.firndit'itin laminadoo forjaclo.La funcliciónde lingotesse an¿rlizó (lue ltt¿is¿tla lilrllr¿tl'iltal sc ¿rProxilltall mas i¡volucra la proclucciónde piez.asconrplejas que de ltls lilldeseadaclelproducto.Estecapítuloseocupacleestasfirnnitstle li¡¡ltlicitiltltl¿is gotes.

de metales de la fundición FuncJamentos

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lo cual hace de este procesouno de Existen cliversosrnétoclospara la fundición de formas, Sus posibilidadesy ventajasson las siguientes: los nlás versátilesen nranufactura. formas usar para crear partes de compleja geometría, incluyendo e x l e t' tta se i n te rn a s .

puecletrproclucir partes de forma neta que no requieren cle la geornetríay climensionescle la o ¡l c n tc i ttl l c s s ttb s ecttcttl espara li.nol. los requisitOs partc.

muy grandes.Se han fabricado fundiciones

rluc [)esatl llríts cle 100 totlelaclas'

que PuedacalentarseY Pasar de l'ulrclicitillpuede realizarseen cualquiermetal - Irf pr-oceso itl estado|íc¡uicltl. métodos' asociadascon la fundiclón y sus diferentes N, 'bsta'te, tar'bién hay desventajas porosidad' como mecánicas en las propiedades i'cruyerrrasri'ritaciorescleargu'osprocesos Irst¿rs en la seguririesgos hay de la superficie,también b..iaprecisióndinrensionaly acabaclicleficiente y problemasambientales' cluranteel procesamiento rlad rle los trabaiaclores desdepequeñoscomponentesque pesansola[,as partesde fundición fluctúan en tanlaño, lista incluye corograndesproductosde más de 100toneladas'La ur¿rscuartasonzashast¿r ,.,rcrrtc para motoresauto,rtufas cle hierro fundido, bloquesy cabezas .¿rstferr.lcs. ¡ryería. estat,.,r,r. para ferrocarril,sartenespara freír, tubos y carcasas rn0trices.lrasespara rnáquinas,rueclaspara de metalesferrososy no ferrosos' b.rrlr¿rs.se ¡,ueien funcrirtocraslas variedades materialescomo polímerosy cerámicos;sin [,a funclicióntarnbiérrpuecleutilizarseen otros posponemosel análisisde los procesosde corrlo los cletallesson bastantediferentes, clllb¿rr.so. exclusiEstecapítuloy el siguientetr¿Itan l)aracapítulosposteriores. I'rtlicirirr rle estos,rateriales prácticamente los fundamentosque se aplican 'alrc'te la furdició' clernetales.En ésterevisamos se describenlos procesosde fundición indivilur*lus l.s .peracio'es clefrndido; en el siguie'te en el diseñode productosde fundición' que debe' considerarse co' r's aspectos rrr¿rriz¿urrs..jurrto

Nota histórica I2. T, deIat'undición llll Ot'íttcnes

r

d e 4 0 0 0a ñ o sa . C .E l o r o f u e e l a f . n d i c i i r nd e m e t a r e s e p u e d er e m o n t a ar c e r c a y y nu t i r i z a r o rna sc i v i l i z a c i o n easn t i g u a Se;r á m a l e a b l e r u ec r e s c u b r i e r o ¡ r r i m e rn r e t a q queno fue . arece f á c i l m e n t ae t e m p e r a t u raam b i e n t eP ¡ r . c l í ar n a r t i l l a r spea r ac l a r l ef o r m a dio pie a cobre del utilizarotros métodosparasu formado El descubrimiento Irer:esaric.r proceso el forma, para darle Aunqueel cobrepodfaforiarse de ra funclición. ra 'ecesicraci f o r m a s a l i m i t a b a y s e pordeformación) e r a , r á s c r i f í c i(rd e b i d oa r e n d u r e c i m i e n t o a n t e sd e q u e a ñ o s d e q u e p a s a r o nc i e n t o s r e r a t i v a n r e nst iem p r e sL. o s h i s t o r i a d o r ecsr e e n p o r p r i m e Í a v e zp' r o b a b l e m e n tpeo r e l p r o c e s oc l ef u n i i c i ó nd e l c o b r es e r e a l i z a r a d e c o b r ea n t e sd e p r e p a r a r l po a r af a b r i c a r ¡ r tr . i r r e r t ed u r a n t er a r e c r r c c i ódne r m i n e r a r ae l d e l a f u n d i c i ó ng r a c i a sa l a i n v e n t i v d r r t e r s i r i . sp c r rm a r t i l r e oE. n t o n c e sn, a c i óe r a r t e y e n M e s o p o t a m i al a t e c n o l o g fsae ocurriera r r t , r r L r rE e s p r . b a b r eq u e e r d e s c u b r i m i e n t o á p i d a m e n tpeo r t o d o e l m u n d oa n t i g u o ' l r a v ae x t e n c l i crl o l a h i s t o r i ad e l a n e s i g n i f i c a t i vi am p o r t a n c iean u n ai n n o v a c i ód [ , u es i n c l u c l a m á sc o m p l e i aqs u e p o r m u c h o h a c e rf o r m a s h t ¡ r ' a r r i c r aCc o r n r a f u n d i c i ó ns e p u d i e r o n ' moldearon y h e r r a m i e n t ams á ss o f i s t i c a d aSs e s i r r r l r ln e r a r t i l l e oS. e f a b r i c a r . nr r t r u m á sr e f i n a d ya h i z o s e deoro s á sc l e t a l i a d oys ,l a i o y e r í a r r r ¡ r l e r n e r r tyo o s r n a r n e n t om b

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clela fundiciónde metales Capítulo12 I Fundarnentos

q r r er a m e z c l ad e c . b r e y v a r i o s aq u e c o n l o s m é t o d o sp r e v i o sC. u a n c rsoe d e s c u b r i ó l a sa l e a c i o n e s s e i o r e sq u e e l c o b r es o l o ,s e u s a r o n e s t a ñ o( b r o n c ep) r o d u c í af u n d i c i o n em q L ¡ el a s i r p i e r . . r r a c i c r n e s a aquellas p o r p r i m e r av e z .L a f u n d i c i ó np e r m i t i óc r e a rr i q u e z a d u r a n t el a e c l a cdl e l d e l m u n d oo c c i c l e . t a l d e s a r r o r am r e j o r .E g i p t od o m i n ól a c i v i l i z a c i ó n de de realizar¡rrocest-rs partea si¡ habiliclacl bronce(cercade zoooaños)debidoen gran fundición ( a ñ o4 0 0a u n a i n f r u e n c i iam p o r t a n t ed u r a n t el a E d a dM e < l i a L a r e t i g i ó np r o p o r c i o n ó f u n c l i c l o r eLsa c o l t s t r t l c c i ódne c a t e c l r a l ees l 4 0 0 d c . ) p e r p e t u a n dloa s h a b i l i d a d edse l o s I TVv

v.

v',

l,v

de campanasEl ti",Tllt',I",11::tt]:':i:.:"^::"t::]tÍ:::?':]:ii I E L l u s r r c l la funclición iglesiasrequería ayucl óa trasl a< l arl os procesosr1eftrrr r licit i¡ r fu n d i r l a s g ra n d e s c a mp anasde ese peri ocl o .-,. I.¡ l¿r etr ;;i;r'*ru et iampuctel¡¡tecnol,gíase lticier.n¿]v¿trlces !H: [r i;;".*;;i qte t/v¡

lgle5ld>

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El nr.lde. en fos.s de c.lacla, f u n d i c i ó n y e n l a s t é c n i c a sd e f a b r i c a c i ó nd e m o l d e s l o c a l i z a d o sf r e r r t ea l h o r n t t ¡ l a r a c o n s i s t í ae n f o r m a r l o s m o l d e s e n f o s o s p r o f u n c l o s e n l o s p r o c e s o sd e f u n d i c i o n s i m p l i f i c a rl o s p r o c e s o sd e v a c i a d o ,f u e o t r o a v a n c e l a s r e l a c i o r e se n t r e e l t o n o c l e l a a d e m á s L o s f u n d i d o r e sd e c a m p a n a sc l e s c u b r i e r o n p r o d u c t o ' s u t a m a ñ o ' f o l m a ' e s p e s o ry c a m p a n a ,m e d i d a i m p o r t a n t e d e c a l i d a d d e l

c o m p o s i c i ó nd e l m e t a l . d e l a f u n d i c i ó nf u e e l c a ñ ó n o t r o p r o d u c t o i m p o r t a n t ea s o c i a d oc o n e l d e s a r r o l l o y p o r t a n t o m u c h a s t é c n i c a sd e f r r n d i c i ó . c r o n o l ó g i c a m e n t eé s t e s i g u i ó a r a c a m p a n a , p a r a h a c e rc a ñ o n e s .E l ¡ r r i r ' e r c a ñ r i ' d e s a r r o ¡ a d a sp a r a f u n d i r c a m p a n a ss e a p r i c a r o n c l e 1 3 1 3 t, a m l r i é r li ) ( ) It l r l l l r ( ) l l i el : t t el t e c l l t r f u n d i d o f u e h e c h oe n G a n t e ,B é l g i c ae, n e l a ñ o u n c o r a z t i nd u r a t i t e l a f i r r r c l i c i i ' r lr)l e L ¡ i c i t r d e b r o n c ey e l a l m a d e l c a ñ ó n s e f o r m ó u t i l i z a n d o e s t e a n t i g u o c a ñ r i t ln o e r a t n t t y ¡ r r e c i s o ' a l o r u g o s o d e l a s u p e r f i c i ed e l a l m a a s í f a b r i c a c l a , p a r a s e r e f e c t i v r >P. r . l r f. s e y t e n í a l u e d i s p a r a r s ea u n a d i s t a n c i ar e r a t i v a m e n t ec o r t a a r i s a r r c l e. l ¿ ¡ l r n ac t - r ' c o m p r e n d i óq u e l a p r e c i s i ó ny e r a r c a n c ep o d í a n m e i o r a r s e . s t e p r i m e r l ) r ( x e s oc i e r l l a q u i n a d t r p r o c e d i m i e n t o sd e m a q u i n a d o d e l a s u p e r f i c i e E 5 f u e t l a m a d o p e r f o r a d o( t a l a d r a d o ) s, e c c i ó n2 5 1

1 2 . 1 n r s u M E ND EL AT E C N O L O C I A D EF U N D I C I O N ulta en u¡la l'ttnclitltlr¿t' generalntente La fundición,como procesocle proclucción,se lleva a cabo parahacermolcles,fundir y rtlanejarel metal en estatlolíc¡uido' funclidor,,es una fábricaequipada (ltle piezastenninadas.[.os traba.iaclol'es desempeñarlos procesosde funclicióny limpiezacle las se llitltl¿t¡'r.littulitlttrcs' de fundicitinen estasl'¿ibricas realizanlas operaciones

se fundición 12 . 1. 1 P r o c e s o d El nu¡ldecontie¡teunit cavidad La revisión de este procesoemp ieza lógicamentecon el molcle. tle lirrltt¿t tlctrediseñ¿trse [-a c¿tvitlitd cuya forma geométritacleterminata fornraclela parfea fundir. tlet llletitldtrl'altlelit stlliestopermitirála contl'itccitilt y tamañoligeramentesobreclimensionaclo, porcentaierle contraccitilt,p()l'l¿tlllo.si l¿t dificación y enfiiamiento.cada metal sutie clif'erente par¿tel tltetal partictllill'tlue se vit ¿l precisióndimensionales crítica, la caviclaclclebecliseñarse y tnelal' Los yeso,cer¿imica aren¿l, funclir.[-os moldesse hacende varios materialesque incluyen de tipos moltles' de acuercloa los dif'ere¡ltes procesosde frncliciónse clasificanfrecuentemente una temperaturalo suficienteEn una operaciónde funclición,se calientaprimero el metal a Despuésse vierte directamenteen mentealta para transformarlocompletamenteal estadolíquiclo. líquidose vacíasimplentente la cavidaddel molde.En un molcleobierto,figura l2.l(a), el metal sisl2.l(b). ttn¿tvía clepastlll¿tlnarla hastallenarla cavidaclabierta.En un ntoldecu"r'ctdo,l'igura

de fun dición S ecci ón12.1 l R esumende l a tecnol ogía Copa de vaciado Mazarota

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Metalfundidoen la cavidad Corazón Semicajasuperior (tapa, copel Plano de separación

Bebedero de colada C a n a ld e alimentación

Semicajainferior (draga, drag\

Caia del molde o oe moloeo Molde (a)

tu/

ccl nl a formade l a un reci pi ente : mol cl eabi erto,si mpl emente F I G URA1 2 .1 [)' s f' rrn a sc l emo l c l e(a) de vaciado(vía un sistema y (b) nlolclecerrado,de forma máscomplejaque requiere ¡larteclerfr¡rrrlicirirr; c le¡ r as oc) o l re c ta tl co()l l l a c a v i d a d .

El que penniteel flujo del metal fundiclodesdefuera del molde hastala cavidad' tcrr¿rrlc v¿rcia¿o de fundición. ,rolde cerrado., lu forma más importantede producciónen operaciones desciende y Ta' pr'¡to como el material fundido en el molde empiezaa enfriarse, conforme lo suficiente(al punto de congelaciónde un metal puro), empiezala solidificación la rcrrrper-atura estecambiode fase, c¡ueirryglucraun cambioclefasedel metal.Se requieretiempoparacompletar cantidadde calor.Duranteesteproceso,el metaladopporquees ,ecesarioclisiparuna considerable de del molde y se establecenmuchasde las propiedadesy características ta la forrra cle la cavicla
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Capí t uf o121 F u n d a me n todse l a fu n d i c i ó nd e m etal es

1 2 . 1 . 2 M o l d e sp a r af u n d i c i ó ne n a r e n a L a f u n d i c i ó n e n a r e n ae s , c o n m u c h o , e l p r o c e s od e f u n d i c i ó n t t r á si n t p o r t a n t e .P a r ad e s c r i b i r l a s c a r a c t e r í s t i c absá s i c a sd e l m o l c l es e u s a r áu n m o l d e d e f u n d i c i ó n e r l a r e n a -M t t c h a s tler d e e s t a sc a r a c t e r í s t i c a sy t é r m i n o s s e a p l i c a n t a m b i é n a l o s l t r o l t l e st l c t l l l ' ( ) sP l ' ( ) c c s o s fundición. La figura l2.l(b) muestrala vista de la seccióntransversalde un molde típico clefundicitin en arena,indicandoalgo de la terminología.El molde consisteen dos mitacles:la til¡ray la tlruga. La semícajasuperíor y la semicajainferior'(en inglés copees la partesuperiory clrug la parteinl'crior). Ambas estáncontenidasen la cuja del molde,que tambiénse divide en clospartes:una pilra por el plano dc .sepurucititt. cadapartedel molde; las dos mitadesdel molde estánseparadas la cavidaddel molclese desechable) molde (y de procesos otros En la fundición de arena la fo¡Ita clcla parte c¡ue tiene forma medianteun moclelode madera,metal,plásticou otro material, que será fundida.La cavidadse forma al recubrir el moclelode anrhascaiascon al'ell¿len pllrtcs deseittlittlc l¿t¡ritl'lc iguales,clemaneraque al removerel nrodelor¡tredeun vacío(lue leltgitla filt'ltt¿t tlcl lltet¿tl para pennitil' la ccl¡ttracciti¡t generalmente de fundición. El moclelose sobreclimensiona pilr¿t l'llil¡lun aglolller¿ttlle cotttiene nlolcle del húrneda cuandoéstese soliclificay enfría.La arena tenersu forma. La ¡ot,i¿artctelmolcleproporcionala superficiesexternasclela f'ulrdiciólt;pertlatlcllliis¡rttctlc tener superficiesinternas,que se clefinenpor ntedio de un t:ot'ozón,el cual es tltlÍl forltra cttlocada en el interior clela cavidaddel molde p¿lrafbrmar la geometríainteriorcle la ¡rieza.Elt la l'trndición en arena, los corazonesse hacen generalmentede arena, aunque pueden usarseotros materialescomo metales,yesoy cerámicos. El sistemade vaciadoen un molde de fundiciónes el canalo reclclecanalespor tlo¡ldefltrye el metal fundidohaciala cavidaddesdeel exteriordel molde.El sistemade vaciado,colllo se nlrlestra en la figura, consistetípicamenteen un bebederode colado (tanrbiénllamaclosinlplemeltte bebedero)a travésdel cual entrael metal aun canal clealimentaciónque conducea la cavitladprirrcipal. En la parte superiordel bebederoexiste frecuentementevna ('opatle vaciuclopara mininlizar colllo y la turbulenciadel metal que fluye en el bebedero.En el diagrarnaap¿lrece las salpicaduras un simpleembudoen forma de cono.Algunascopasde vaciadose diseñanen ftrrmade laztittcrxt un canal abiertoque conduceal bebederode colada. del sislenradc En cualquierfundicióncuya contracciónseasignificativase requiere,aclemás e¡t el ntoltle reservit una es La mozoroto principal. vaciado,una mazarotaconectadaa la cavidad que sirve como fuentede metal líquido para compensarla contraccióncle la ftlndición dttrltlltelit de con su función,debediseñarse A fin de que la mazarotacumplaadecuadamente solidificación. principal' clela f'undición tal forma que solidifiqueclespués nlc l¿tcaviA medidaque el metalfluye denfrodel molde,tantoel aireque ocupabaprevianre paraqtle deben evacuat'se fundido metal del por reacción la gases formados calientes los dad como clel porosiclad ltatttr¿rl el espaciovacío.En la fundición en ¿uena,la el metal llene completamente Erl molde de arenapermiteque el aire y los gasesescapena travésde las paredesde la c¿tvitl¿til. tl se nrolclc del dentro ventilación cle los moldes perrnanentesse taladran pequeñosagujeros maquinanen el plano de separaciónparapermitir la salidadel aire y los gases.

1 2 . 2 C A L E N T A M I E N TYOV A C I A D O lnayorqtlc ligerantelrte Paradesarrollarla operaciónde funclición,el rnetalsecalientaa tenrpet'atttra []n estitscccirilt r¡uesolidil'it¡trc. en la cavidadtlel nloltlepar¿t su puntoclefusióny despuésse vací¿r la fultclicitill. v¿rrios aspeclosde esfosclospasosde consideramos

vaciado S ecci ón12.2 l C al entami ento

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1 2 . 2 . 1 C a l e n t a m i e ndt oe l m e t a l necesaria de hornos(secciírn13.4.1)para calentarel metal a la temperatura Se ,sa¡r variasc:l¿rses hastael temperatura la pataelevar l) calor clefusiór. La e¡er.gíacalorífica requeridaes la ,uirru de para elevar calor fusión paraconvertirel metal de sólido a líquido y 3) ¡ru't. de frsión, 2) calor.de de vaciado'Esto se puedeexpresarcomo: al nletal futlclicloa la tentperatura

H - Pv lC,(T,u- 'l',,)* tl¡ * Ct(T¡'- T'')l

(t2.t)

clelmetal a la temperaturade fusión' Btu rlrrrlc // = cirlol.t'tal requericloparaelevarla temperatura en pesoparael materialsólido, Btu/lbm(J): p = ¿.,,rJ,t,,,f , fü,"prtg3 1g/crn3);C, = calor específico " p ( ' c ) i T o = t e m p e r a t u rian i c i a l ,g e n e r a l m e n t e o ¡ ; 1 J / g - o)ci ' l - , , , =t c r n p e r - a t u r ¿fi u d sei ó nc l e lm e t a l (Jlg); Ct = calorespecíficoen pesodel metal ol; fa ar.biente. 1"C); ÍIf =calor de fusión, Btu/lbm

|íquiclo.Btu/|bnr-"F(J/g-"C);Tp=tetnperaturadevaciaclo,oF(.C);yV=volumendelmetalqu s e c a l i c n t aP. t r l g s( c r n 3 ¡ .

O 12.1 Calentamientodel metal para fundición EIEMPL se va a calentaren un crisol desdela temperatura Urr ¡rie cúbic, de u'a cierta aleacióneutéctica fusión. Las propiedadesde la aleaciónson densiallrbientehasta200. por encimade su punto deoF, = calor espócíficodel metal = 0'082 Btu/lbm-oF clad= 0.15 lb,r/pulg3,punto de fusión 1300 = estadolíquiáo; y el calor de fusión 72Btufibm' en el esrac¡rsólido y 0.071 Bru/lbm-oFen el asumiendoque no hay se debe añadir para alcantuí el calentamiento, ¿,cuántaenergíacalorífica pérdiclas'l oF anrbienteen la fundición= 80 y que las densidades que la tenrper'¿rtura Solución: si aceptarilos sabemosque un pie3= 1728 y líquitkry srilidodet nretalson las mismas, adenrás crr lrs cst¿rt¡rs l a e c u a c i ó n( 1 2 ' l ) s e t i e n e : p u l g r ; a l s u s t i r u i lro s v a l o r e st l e l a s p r o p i e d a d eesn 1300)1 H - ( 0 .1 5 ) ( t 7 2 8 ¡ 1 0 . 0 1 t 2 ( 1 3 0 0 -+8702) + 0 ' 0 7 1 ( 1 5 0 0 -

,,,

- 4ti.213.4 Utu cálculoes cleutilidad limitada,no obstante La ecuación l2.l tiene u¡ valor conceptualy su factores:l) l2.l es complicadopor los siguientes sc usaco.ro eje'rplo. El cálculocrela ecuación del nletal sólido varíancon la temperatura'espeel calor específicoy otraspropiedadestérmicas el calentamiento;2) el calor específicode un cialmentesi el metal sufre ,n .u,ruio de fase durante estadolíquido; 3) la mayoríade los metalesde rretal ¡rucclcser tlifere'te en el estaclosólicloy en entre solidusy liquidus en cle temperaturas f-u'tlici(r' so' *leacio¡resque funden en un intervalo aplicarsetan fdcllmente puede el calor de fusión no lugar de un ¡rurrtoúnico clefusión, por tanto, disponede los valoresrequeridosen la arr.iba;4) en la r'ayoría clelos casosno se co.lo se ilrclic¿r de calor signiy 5) cluranteel calentainientohay pérdidas ecuacitirr'ara ura aleaciónparticr,rlar ficativas.

1 2 . 2 . 2 V a c i a c l od e l r r l e t a fl u ¡ n d i d o metalfundidoen listo paravaciarse.La introduccióndel Despuésclelcale.tarriento,el nraterialestá en el proceso' uaciadoy de la cavidades un pasocrítico el nrrl¿e y su t1uj, cle'tro rlel sistenracle a travésde todaslas regiones fluir antesde soliclificarse I)ilraquc cstc ¡rasotengaéxito.el nretalclebe principal'Los factoresque afectan que es la caviclacl rlcl ,r.klc. i,rcluirlul. rcgiti. rrírsirrr¡rortante de vaciadoy la turbulencia' la velociclad de vaciaclo, la .¡rcraciri,rlc vaciacklson la reln¡reratura

¡

246

de metales clela funclición Capí t ulo12 lFundarnentos stt inlrotltlces la tentperaturaclelmetal funclitloal ¡notnenltttle La temperaturarJevac'iaclo tle vaciitdtly la tclnpeentrela tenrperatura ción en el molde. Lo importanteaquí es la diferencia parÍtrln lnelal puro, o ltt tcltl¡rer¿tttlrit raturaa la que empiezala solidificación(el punto rle fusión se le llalrtaalgttnasvecessttbreruliquidus para una aleación).A estadif'erenciacletemperaturas de calor que cleberenloverseclelmetal funlentamiento.Eltérminose usatambiénpara la canticlad dido entreel vaciadoy el inicio de la solidificación[6]' it la c¡uese vierleel ltlcl¿rlI't¡tlvolurnélric¿t refierea la velocirlacl Lavelocielatltle vocirtclose altlesdc llcnitr lil citvietlfri¿trse rnetal¡ruecle dido dentrodel molcle.Si la velociclades rnuy lenta,el convertirseen ttn prtlblenr¿tscrio' dacl.Si la velocicladclevaciadoes excesiuu,io turhulencia¡Irecle de la velocidada travéstlel La tttrb,le,.itt de fluio se caracteriz,apor variacioneserr¿iticas corrientesirregularesen lugarde l'luiren tbrma lantittar'L'l lluio fluiclo;cuandoéstese agita,'genera Tienclea acelerarla forrnacitillde turbulentodebe evitarseduranteel vaciadopor varias razones. degradattdoasí la caliclad óxidos metálicosque puedenquedaratrapadosdurantela solidificación, tnokle,quees el desgastegradualcle de la fundición.La turbulenciatambiénagravalaerosión del cle la nrafirndido.Las clensidades las superficiesdel molde debido al impactodel flujo de nletal y tle otros fluidos qtle collocemos yoría áe los metalesfundiclosson más altas que las del agua much0nl¿isl'citctivtts(lttc¿tteltt¡reritltlrilillllst'rnquírnicamente normalmente.[_osmetalesftrncliclos el desgastecausadopor el flujo cleestosnretalesell el nrolclee'ssigrtit'icabiente.por consiguiente, ocrlrre seriactt¿tltdtl [,a erosiónes especialllrellte turbulentas. bajo concliciones tivo, especialmente la ftlrmade la pilrtefillltlitl¿r' en la cavitlatlprincipalporqueat'ect¿r

1 2 . 2 . 3 A n á l i s i isn g e n i e rdi le l v a c i a d o sisternaclevaciadrly tlentrotlel Variasrelacionesgobiernanel flujo del metal líquido a travésclel cual estableceque la suma de las molde. Una relaciónimportantees el teoremacle Bernoulli, el de trn lít¡uiclospttntoscualc¡ttiet"a energías(altura,presióndinámica,energíacinéticay fricción)en do que fluye son iguales.Esto se puedeescribiren la siguientefbrma:

h t*

#

.

*.

F t : t t +t

í;.

*

n',,

(12.2)

(N/cm2);P = densidad,lbm/pulg' donde/z = altura,pulg (cm); p presiónen el líquido, lb/pulg2 (cm/seg);s = constantede la aceleracióngravit¿tcic¡nal, 1glcm3);r, = veloci¿uá¿" flujo en pulg/seg a la fricción'puly F = pérdidasclecargadebiclas 32.2x12=386pulg/seg/seg(981 cm/seg/seg); el Los subíndicesI y 2 inclicanlos clospuntoscualquieraen flujo del líc¡uido' gadas(centímetros). las pérdidas La ecuaciónde Bernoulli se puedesimplificarde variasmaneras.Si ignoramos y astlde ¿trell¿t) rtlolde del el tlujo clellícluidoil través por fricción (de seguro,la fricción af'ectará ectlaciórl l¿t en toclasttextensión,etttoltces a presiónatmosférica mimos que el sistemaperm¿lnece puedereducirsea: It¡ *

u?: l t z * 2,q

1

ví

(12.3)

2,r:

clel bebedertlcle La cual puede usarsepara cleterminarla velocidaddel metal l'urtdicloen la base (2) ell la base.Si el prlnto y tln colada.Definamos¡n punto (l) en la partesuperiorclelbebeclero entoncesla alturaen esePuntoes cero (h',-- 0) y lr¡ es la altura punto (2) se usacomo referencia, Cuandose vierte el metal en la copa de vaciadoy fluye hacia abaJo,su ilongitud) del bebeclero. ( 1 2 . 3 )s e s i n r p l i f i c tar v e l o c i d a ci nl i c i a le n l a p a r t es u p e r i o r e s0 ( r , r= 0 ) . E n t o n c e sl a e c t ¡ a c i ó n ht -

t)1 2.q

y vaciado Sección12.2 lCalentamiento

247

que se puederesolverpor la velocidaddel flujo:

' - 'Esh

(t2.4)

= 386 del bebeclerode colada' pulg/seg(cm/s); I clonder, = velocidaclclel rnetal líquido en la base y h -- alturadel bebederopulg (cm) (981 cm/seg/seg); pufg/seg/seg es la ley de continuidad,lacual estableceque otra relaciónde importanciaduranteel vaciado a travésdel líquido.La velocidaddel flujo ra ver.ci¿a¿vorurnétricader flujo permanececonstante multiplicadapor el áreadela seccióntransvortrrérrico putfris.g (c,n3/r.gj ., iguot a la velocidad corno expresarse tlel flu.i. irq.itlo. La ley de continuidadpuede ver.s¿rl 0-utAt-ú242

( r2.s)

= velocidad;A = áreade la sección creflujo volumétrico,pulg3/seg1cm3/s);v rrrrrtfe0 = ver.cicracr de los dos puntosen el sistemade trerlíquitl.; y los subíndicesse refier"ná cualquiera rr.¿*svcr.sar produceun decrementoen la velocidady viceversa' r1u.i..E,'r..ces, u' i'crernentoen el área debe ser ahusado.El áreade la sec(12.4)y (12.5) indicanque el bebeclero l_asecu¿rciones el rnetalse aceleradurantesu descensoen el ci* r**svcrsal tlel canal clebererlucirseconforme clentrodel líquiclodebido al incrementode dc c.rada; tre otr¿r*l¿lnera,puedeaspiraraire rrctrctrc,r., molde' clelbebederoy conducirloa la cavidaddel ra verocirrarlcrerrnetalque fluye hacia la base velocila que de manera para pre'elrir estaconclición,se diseñael bebederocon un ahusamiento del bebedero' fondo el y en en la parte superior dacl'olurnétrica cleflujo 'A seala misma seahoia basedel bebederoa la cavidaddel molde si aceptamosque el canalalimentadorde la velocidad la misma que la de la base del bebedero), r.izontar(v por tanto que ra artura sea pefrnanece molde del vaciadoy dentrode la cavidad '.lrrrétr.ica de f'l'jo a travésdel sistemade una cavipor podemosestimarel tiempo requericlopara llenar igual a 'zl e' la ba.se. consiguiente, r l a t lc l cv o l t l l l l e l lt ' c o l ' l l o s i g u e :

M F T:

v

(12.6)

O

pulg3 seg (s); v= volumende la cavidaddel molde' cfr'rtrenfI;T-= tienrpocre¡enado der morcre. "ni la por ii.t"p. de llenadotlel rnoldecalculado (crrr): y 0 = vclrcitlarlvrlurrétr.icade f'lujo. pérdimínimó, debido a que el análisisignora las c-cuaciri,( 12.(r)tlebec.rsiclerarsecorno tienrpo de tiempo el flujo en el sistemade vaciado;por tanto' das por.ll.icciolly la posibleconstricciónclel de la ecuación(12'5)' lfcnrrtfotlcl rttolcleserítlrlayorque el resultante

Ejemplo

'12.2 Cálculosde vaciado

g.0 pulg y el áreade la seccióntransversal de coladacuya longitudes un rrrolrletiere un bebeclero a alimentaa un canal horizontalque conduce en la baseclel bebecleroes 0.4 p"rgr ElLebedero la en pulg3.Determinea) la velocidaddel metalfundido la cavidatrdel nloltrecryo u,rru,n.,,es t00 rnolele' del llenn¡lo de tiernpo vorurnétricade flujo y c) €t rraseclel 'e beclero,b) ra verociclad esú dadapor la ecuación clelflujo clemetal en la basedel bebedero soluciónl rr) [-a veloc:iclacl (12.4):

: ,, : Jfgh : ,8Q86'6)i8J) 78'65Pulg/seg

cleflujoes voltlrttétrica b) La velociclacl = 3l'5 pulg3/seg pulg/seg) Q - (o.4pulg2;178.65 este fl uj o es tl tl a cavi tl aclcl e 100 pul g2 con r,)c l ti r.r' ¡r. rc r¡u c l ' i r¡)' a ra l l el t.r

M Ir7'= 100/3I .5 = 3.2 seg

;

248

de la funcliciónde met¿¡les Capítulo12 I Fundamentos

Copa de vaciado Bebedero

Molde espiral Límite de flujo antes de enfriarse FlüuRA | 2.2 Molde es¡rlrallrüra en$(ryorle la fluitlcz, tisla sc lltirle ¡ror l.t long i t u d d e l c a ¡ r a l e s p i r a l l l e n o a n t e sd e l a s o l i c l i f i c a c i ó n '

12 . 2 . 4 Fl uid e z ctln el tértttirltll-ltlidez,tllt¿t¡ltetlifrecuentenrente del metalfundiclose describren Las características [,a tltridezes inversaa l¿tvisenfriarse. de da de la capacidaddel metal para llenar el molcleantes ltorttlalcs la fluidez decrece.Existenlttétt-rtlos la viscosidacl, cosidad(sección3.4); al incrementarse 12.2, figrrra la ell ntttestl'a qtte se prueb¿l de de ensayoparavalorarla fluidez,como el molde espiral lrtrlgiA lttltyor es¡rir:tl. elt cl c¿ttl¿tl dondela fluiclezse miclepor la longitudclelmetalsolidific¿ulo tud, mayor fluidez del metal firncliclo. tlcl lttct¿tl' rle vaciittlo,lit ctlttt¡rtlsicitilt Los factoresq¡e afectanla fluiclezson la lenr¡rcratur¿t nlayor,con Una tenlperatura la viscosidaddel metal líquido y el calor transferidoa los alredecloles. en estapermanece metal que el el tiernpo respectoal punto de solidificacióndel metal,incrementa do líquido permitiéndoleavanzarmás, antesclesolidificarse.Esto tienclea agritvarciertosproblemas como la formaciónde óxido, la porosidadgaseosay la penetracitindel metal líc¡uidoen los espaciosintersticialesentre los granosde arenaque componenel ltlolcle.Este tiltinro problenta y causaque la superficiede la fundición incorporepartículascle arenaqrle la hac:elttttás rttgosa abrasivade lo normal. it los tttcc¿tllisctt lo t¡ttet'csl)cc:l¿l ta¡rbiénat'ectala tluidez,parlicul¿rntterttc I-a cornposición licltclllltc'iol' co¡'lstallte a temperatur¿t del metal.Los metalesquesesolidifican mosde solidificación octlrreerl utl Cuandola solidil'ic¿rción fluidez (por ejemplo,metalespurosy aleacioneseutécticas). solidificomo es el casode muchasaleaciones,la porciónpitrcialntente intervalode temperaturas, tlel así la fluidez.La cotrt¡rosición nletal cadainterfiereen el flujo de la porciónlíquitla,recluciendo determina,ademáscle los mecanismosde solidificación,el calor de ftrsióll, la cantidacltle c¿tlor requeridapara q¡e el metal paseclel estaclolíquicloal sólitlo. Un ntaytlr calor tle f'usitilttielltle ¿t la medidade la fluidezerl la firndición. incrementar

En est¿tsecciollexaDespuésde vaciarel metal fundido en el molde,éstese enfrí¿ty solitlific¿t. físicosclesolidificaciónque ocurrenilttrantela fundicióll.[-tlsasPecminaremoslos mecanismos lit lit colttt'¿tcciti¡t, del lttet¿rl, inchtyenel tienr¡rtlcleenfriiutrielllo con la soliclificación tos asociaclos solidificacióndireccionalv el diseñode las mazarotas.

1 2 . 3 . 1 S o l i d i f i c a c i ódne l o sm e t a l e s involucrael regresoclel metal f'undidoal estadosóliclo.El ¡rrocesode solidifiLa soliclificación clesi el metales urrelementopttroo tlll¡laleitción. caciónclifiere,dependiendo

Sección12.3 lsoliclificacióny enfriamiento

F I C U R A1 2 . 3 C u r v ad e paraun enfriamiento la puro clurarlte nretal fu n d i ción.

249

-- TemPeraturade vaciado Enfriamientodel líquido l ni ci o de congelación

Congelación completa

I

Tiempode I --solidificación-> l< I

local

Enfriamientodel sólido Tiempode <--_-.-- solidificación --> total

Tiempo

que constituyesu Metales puros Un nletal puro solidifica a una temperaturaconstante puros son bien conopurrtoclecongeiacióno punto clefusión.Los puntosde fusión de los metales ocune en un tiempo proceso en la literatura(véasela tabla 4.1).El cidos ' estánrlocunrentaclos de enfriamienconro se nruestraen la gráficatle la figura 12.3,conocidacomo curva tleternrilr¿rdo el cual el durante solidificación, de to. La s.lidif-icaciírnreal toma un tienrpo llarnado, tiempo local total de solidificación va desde calrrr late'tc clefusión clel nretales.apa fuera del molde. El tiempo Despuésque la fundición se ha el r''*errrr rle vaciar el metal rrastasu completasolidificación. el enfriamientocontinúa a una velocidadindicadapor la pendiente solidific¿*locornpletanrente, haciaitlla.iodc la ctlrvade enfriamiento' cle la pareclclelmoltle, se forma una delgadapelículainicial [)c5i¿. a la accitinrel-rigerante del vaciado.El espesorde estapelículaaumenclespués tlc r'cr¿rlsrilit¡re¡ In pareclinnrediat¿unente de la caviu¡racostraalretleclordel nretalfundido que va creciendohaciael centro ra ¡r.r. l.r.r.¡ur. que se calor clel L¿rvelocidadclelenfrialltientotlepencle la solirlil'ic¿rciín. tl¿rtlc.rrlir.nrcl)r()gr.csa térrnicasdel metal' trallsfierc cll el nrolcley clelas propieclades duranteesteproLls intcrcsalrteexarninarla formacióndel grano metálicoy su crecimiento ha enfriado rápidamentepor la ceso dc srli¿ificación. El metal que fonna la película inicial se de enfriamientocausaque los graextracci(' rle calor a travésclela paredclelnlolcle.Esta acción Al continuarel enfriamiento 'os clela películaseanfinos, .quiaxialesy orientadosaleatoriamente. de la transferenciade calor' se fornran nrás granosy el crecilnientoocurre en direccionesalejadas los granoscrecenhaciaadenComo el calor se transfierea travésclela costray la pareddel molde, estasespinas,se forman rarnaslaterales tro ctxro agu.iaso espinascle rrretnlsólido. Al agranclarse primeras'Estetipo de F I C U R A1 2 . 4 E s t r t t c t l t r aque siguencrecien,loy fornlan ramasaclicionalÁ.n ángulosrectoscon las de c ar a c ' t e r í s t i c a cristalina del grano ocurreno solamenteen la solidificación clettclrítico t'recitttiettto crecirrrie'toll¿rm¿rdo cabo a llevan metal se un de tipo árbol Ptlro, Estasestructuras Ios rnetalespur.os,sino tambiénen la clelas aleaciones. mostranclolos granos adicionalen las denmetal contilluamente al clepositarse c, l'rr.*¿rg'ir¡ual tluranlcel enfriarrriento, pequeñosorit'tll.t
ffi

l

'll

grandesorientacltlshacia e l c e n t r or l e l ¿ f t l l l r fi c i t i r l .

en un intervalode temgeneralmente Aleaciolres en general Las aleacionessolidifican clelsistemade aleacióny de crr rugartrc u'a te'rperaturaúnica.El rangoexactodepende ¡.rcr.atur.as a la cleuna aleacióncon referencia Se ¡,rcrleexplicarla soliclificación s, c()rrlxrsicitilr ¡r^rricular. y cleun sistelnaparticülarde aleación(sección7'l'2) clc'f¿rse el cliagranra ,¡,,. ,.,.,,,.rtra f igtrra12..5.

250

CapÍtu|o12/Fundarntsntosde|afundiciónc|emeta|es

(o L

:t (0 o o

Soluciónlíquida

"F 2651 "c) (1 4 5 5

Liquidus

E

TemPeraturade vaciado Enfriamientodel líquido

f-

o

F

/-

Iniciode la congelaciÓn Congelación completa

L+ (g f

(Ú

Solidus

o o-

E o,

I

t-

"F 1981 (1083'c)

Soluciónsólida

II Ni

50%

Cu

Tiempode < --sol i di fi caci ón > total

Enfriamiento del sólido

Tiempo

o/" Cobre (a)

(b)

de a l e a c i ó n c o b r e - n í r ¡ u e yr l ( b ) c u r v a r l e e t l i r i ¿ ¡ l l i e n t t l F l c u R A 1 2 .5 (a )D i a g ra m ad e faseparaun si stenra la fundiciórl. dl¡rante 50-50% asociadaparauna composiciónNi-cu

confornre tlescientlela tetttperatul'a, a la curva de enfriamientopara una composicióndacla. línea liquidus y se cornpletacuando empiezalasolidificaciónen la temperaturaque indica la a la del metal puro. Se forr¡rauna se alcanzala solidas.El inicio de la solidificaciónes similar de temperaturaen estasuperdelgadapelículaen la pareddel molde debido a un alto gradiente mediantela fol'ntaciórtcledcntlritas ficie. La solidificaciónprogresaentoncesigual que antes, clela telnperalttraentre liqtridus alejadasde las paredes.Sin ernbargo,debicloa la propagació¡t dondeel tttetal zona avanzacla y solidus,el crecimientode las clendritases tal que se forma una p c l re s t r u c t t t r acsl e n d r í t i c aqst l e s ó l i d oy e l l í q u i d oc o e x i s t e nL. a p o r c i ó ns ó l i d ae s t ác o n s t i t u i d a pequeñasislas de líquido' La región se han formado lo suficientey han atrapadoen la matriz a su nombre de zono blattrla'Depensólido-líquidotiene una consistenciasuaveque da lugar puedeser relativalnenteangostao diendo de las condicionesdel enfriamiento,la zona blanda que promrlevenla última condición puedeocuparla mayor parte de la fundición. Los factores a n t l ' cl i t l l l ¿ t t l t t ¡ r l i ¿t lri t ' e r c l t c i e s o n u n a l e n t a t r a n s f e r e n c i cal ec a l o r f u e r a c l e lr n e t a lc a l i e n t eY g r a t l t t a l ¡ l l e ¡ l al el i c ¿ r l t s o l i d i f q u i d u sy s o l i d u s .I - a s i s l a s c l el í q u i c l oe n l a m a t r i z c l ed e n c l r i r ¿s te soliclus(lue corres¡londea la cttnt¡robajar la temperaturade la fundición hast¿rla temperatur¿r s i c i ó nd e l a a l e a c i ó n . de las dendries l¿tcotrl¡rosición clelas aleacio¡res Otro factorque complicala soliclificación por el nletal que tieneel punto cletirsiónnrayor'Al tas que al iniciar su formaciónson favoreciclas entrela cotnposicióndel continuarla soli¿ificaciónlas dendritascreceny se generaun desbalance cle cornposiciónse nlanifiesta metal solidificadoy el metal fundido remanente.Este clesbalance es cledos I-a segregacióll terminadas. en las funcliciones de elementos finalmentecomo segregación a través varía la contposiciónc1uírtlica A nivel rnicroscópico, tipos,microscópicay macr.oscópica. cadaclendritatietteuna proporc'ión de cadagranoindividual.Esto ,. d.u. a que la espinainicial de a expensasclellíquidorenlanente más altade ,no clelos elementosclela aleación.La clendritacrece el último metal que solidique ha sido parcialmenteagotadode esteprimer elemento.Finalrnente, ct¡yacontposiciónes aún en las ramasde las denclritas, fica en cadagranoes el que queclóatrapaclo granode es una variaciónen composiciónquírnicadentrode catla El resultaclo más desbalanceada. la fundición.

y enfriamiento 25'l Sección12.3lsolidificación A nivel macroscópico,la composiciónquímica varíaa travésde la fundición en sí. Como las molde) regionesclela fundición que se solidificaronprimero (generalmentecercade las paredesdel remanente sclnmás ricas en un componenteque en otro, la composición de la aleaciónfundida segreuna entonces' genera Se queclamodificada cuando ocurre la solidificación en el interior. segregación gacióngenerala travésde la seccióntransversalde la fundición, llamadaalgunasveces de lingot¿,como se ilustraen la figura 12'6' proceso Aleaciones eutécticas Las aleacioneseutécticasconstituyenuna excepcióndel particugenerafde solitlificaciónde las aleaciones.Una aleacióneutécticatieneuna composición F I G U R A1 2 . 6 E s t r t r < ' t l t r a la solidificación la c.al las temperaturassolidus y tiquidus son iguales.En consecuencia, c r i s t ai n l a c a r a c ' t e r í s t i < - ¿ lar err anteriordescribió se como conslilnte,y llo en ull rangode temperaturas oc,l.t.c¿l¡¡a lc¡rper.attrra r l e f u l r t l i
1 2 . 3 . 2 T i e mp o d e s o l ¡ di f i c a c i ó n toma tiempo.El tiempo Si l¿rlllrdición es rnetalpuro o aleación,de todosmodos,su solidificación despuésdel vaciado' rotal ¿e solitlificaciónes el tiernponecesarioparaque la fundiciónsolidifique por una relaciónempíriEstetienrpodepe¡cledel tanlañoy de la forma de la fundición expresada establece como regltt de Cltt,ot'ittot,que ca corrocicla 7'S'f : Cn, ( ; )

(12.7)

pulg3(cm3);A = área = dondeIST-= tienrpoclesolidificacióntotal, min; V volumende fundición, un valor de 2; y srrperfici.lclela fu¡diciíln, pulg' (.*t); ,r es un exponenteque toma usualmente (min lcmz),su valor clelnrckJe. Dado que r¡ = 2,las uni,lu,l"rde C^son min/pulg2 C,,,es la cttttstttttte las cualesse incluyen clepe'dede las conclicionesparticularesclela operaciónde fundición, entre térmicasdel metal propiedades el nlaterial del molcle (calor específicoy conductividadtérmica), y temperaturarelatide fun¿ición (calor cle fusión, calor específicoy conductividadtérmica), la operacióndada una deC^para valor va cfevaciadocon respectoal punto de fusión del metal. El de molde, se puede basaren clatosexperimentalesde operacionesprevias con el mismo material dlferctltc' bastarrte de la parte haya sldo 'retal y te'per-¿rturaclevaciaclo,incluso cuanclota forma una relaciónde volumena áreasuperficon La reglade chvorinov indicaque una fundición que otra con una relaciónmás baja. Este principio cial se enfriar.íry soliclificarámás lentamente cumplir su función de alimentarmetal fundido iryudaen el tliseñode la nrazarotadel molde. Para permaneceren faselíquida más tiempoque el a la cavidaclprincipal.el metal en la mazarotadebe la mazarotadebe excederla TST de la fundición de la ftrndición. En otras palabras.la TSr para la fundiciónes la misma,las constantes prirrcipal.como la concliciónder nlolde para la mazarotay incluye una relación de volumen a áreamás clel rnolcleserániguales.Si el diseño cle la mazarota solidificaráprimeroy se rrirs o rnenossegurosde que la fundiciónprincipal grar*le.¡rorier..sest¿rr la considerarel diseñocle la mazatotamediante reducirí* l's el'ect's rle la cr:ntracción.Antes clá las necesitan el lernade la contracciótt, razónpor la cual se en cuent¿r ir tfc (.llv.r.ir.v r.rncn-ros r.egf nlAZ¿lrot¿ts.

252

clela funclición¿e metales Capftulot2 f Fundarnentos

12.3.3 Contracción impactoclela contracciónque ocurreduranteel Nuestroanálisisde la solidificaciónha omitido el en tresp¿lsos:1) contracciónlíquidacltlrante enfriamientoy la solidificación.La contracciónocume duranteel cambio de fase de líquido a el enfriamientoanteriora la solidificación;2) contracción contraccióntérrnicaclela fundición soliclificada sólido,llamadacontracciónde solidificación,y 3) Los tres pasospuedenexplicarsecon refeduranteel enfriamientohastala temperaturaambiente. ell la figumolde abierto,como se rnuest¡'a renciaa una fundicióncilíndricahipotéticahechaen un (0) la serie' de despuésclevaciaclose Inuestraen la parte ra 12.7.El metal fundido inmediatamente tle vaciadoh¿tstala tlesclela ternperatura La contraccióndel metal líquido duranteel enfriamiento, el se reduzcaclesde nivel inicial como temperaturade solidificación,causaque la alturadel líquirto alrededortlel 0'5%'' es generalmente en (1) de la figura. La cantidadde estaconcentraciónlíquit'la (2) tiene closefectos.Primero,la co¡1La contracciónde solidificaciónque se observaen la parte funclición.Segundo,la cantidadde metal traccióncausauna reducciónposierioren la altura de la clela ftrncliciónse restringe'Éstaes líquido disponibleparaalimentarla porciónsuperiordel centro (0)niveles la soliclificaciótr clurante )' e¡rfri.rr.¡riento: cilíndrica de unafunclición 12.2 contracción FICURA ( 1 ) r e c l r ¡ c - < i r ri tl re l l l i v c l c ' ' t t ' l s ' t r l ' t l a

¡lor c l e s p u é sc l e l v a c i a c l o ; i n i c i a l e sd e l m e t a l f u n d i c l oi n m e c l i a t a m e n t e bols'¡ l'r tlc y fornr'lt'iótr altt¡ra (2) la cle reclucción contracción del líquiclo durante el enfriamiento; y ('l) reclt¡c<'iótr Posteriortle l'l 'lltttr't ;' soliclificación; por contracción la por causada contracción de ¡ sl i t r t t ' r t s i r ¡ t l ' t l c s s ó l i d < ¡L . a s r e < l t ¡ t c ' i o t l t< r n e t a l c i e l e n f r i a d o e l d i á m e t r o c l e b i c l aa l a c o n t r a c c i ó nt é r m i c a c l u r a n t e están exageraclaspara mayor claridad'

Nivelinicial inmediatamente despuésdel vaciado

Reduccióndel niveldebidoa la contraccióndel líquido

Solidificacion inicialen la Pared del m olde

Metalfundido \-

-g \'\

Reducciónde la alturadebida a la contracción por solidificación

-!

ContracciÓn térmica del sólidoI I

I

I

Rechupe Metalfundido Metalsólido

(2\

y enfri am ient o S ecci ón12.3 l sol i di fi caci ón

253

metalesde fundición T A B L A 12.1 Contracciónvolurnétricaparadiferentes nel sólido' debiclaa l a c o l r t r a c c i ó¡nl o r s o l i c l i f i c a c i óync o n t r a c c i ó d C o n t r a c c i ó nv o l u m é t r i c ad e b i d a a : Metal Alunrinitr A l t ' ¡ r ' i < ' r nr l t ' ¡ l t t t l l i l l i o ( l í ¡ l i < ' a ) F t r r r r l i ri r i t t t l t ' l t i t ' t r o ¡ 1 r i s I u n r l i r i r i t l t k ' l l i t ' l t o g r i s a l ¿ r l t ot a r l l o l l t r I u l l < l i r i r i t t t l t ' , l ( ( ' l ' ( )i t l l l . r i o t ' a r l ) o l l t l ('ollle [ J r o r r c t '( ( t l - S ¡ l )

Contracción Contracción del sólido o/o térmica % por solidificación 7.O 7.O 1.8

o 3.0 4.5 5.5

5.6 5.0 3.0 3.0 7.2 7.5 6.0

l { t '
estelugar de la la rilti¡ra regiónen solidificar;la ausenciade metal crea un vacío en tusualrrrc,tc fundidoresrechupe.Una vez solidifif ,rtlici.r. Estacavicladcleencogimientoes llamadapor los altura y diámetromientrasse enfría' carla.la f'ur¿ici(rnexperirnentauna contracciónposterioren de expansióntérmica del metal sólico*o err (3 ). Esta contracciónse cleterminapor el coeficiente la contracción' cl6,c¡ueelr eslec¿lsose aplica a la inversaparadeterminar volumétricapara diferentes La talrla l2.l presentaalgunosvalorestípicosde la contracción y a la contracciónsólida,pasos(2) rretalesdc lir.rlici(rnclebitlo,olu contracciónpor solidificación ocurrscasien todoslos metalesporquela fasesólidatiene y (31.[-a colrtftrcciónpor.soliclificación que la fase líquida.La transformaciónde faseque acompañala solidificación ,rayrr clellsicl¿rd r.rr¿l metal.La excepciónen la tabla l2'l es causa,ra r.er¡¡cció¡e¡ el volumenpor unidadde pesodel se complicapor un perioel hierro f,nclido con un contenidoalto de carbono,cuya solidificación que provocauna expansióntendiente tl. ¿e grafit.ciírr rhrrantelas etapasfinalesde enfriamiento, volunrétricoasociadocon el carnbiode fase [6]' a co.tran.estare.lclecrecirniento las por solidificaciónparasobredimensionar la contr¿rcción Lrs .rrdclistaslonrancn cucnt¿r con molde del dimensiones rlc los lnolcles.La canticlaclque hay que aumentara las c¿rvidarlcs del modelo'Aunque la conr.cs'ccl, ¿rlturrrairorlc la piezafinal se llama toleranciade contracción de la fundiciónse expresanlinealmente'Parahacerlos las dinrensiones cs volunrc(tl.ica. lr.¡rccitirr reglas especialesde contracciónque rr.tlclrs r. l.s r¡slrlcs rrrírsgrantlcsc¡uela pieza, se usan Estas reglas varían en elongación c.'sider.a. ur.lÍlligera elongaciónen proporción adecuada. respectoa una regla normal,depenclesde*re.()s de l/g pulg a 5lg pulg por pie de longitud con cliellclotlel lttetala fundir.

1 2 . 3 . 4 S o l i d ¡ f i c a c i ócnl i r e c c i o n a l convenienteque las regionesde la fundipar.¿r ,lirirriz¿u. los ef'ectosrlañinosclela contracciónes prose solidifiquenprimeroy que la solidificación ció' ,rírs clistartesclela l'uentede nretallíquiclo en disponible forma, el metal fundidocontinuará gresecreestasr.egi'.esrraciala mazarota.En esta durantela solidificación'se usa el término ras nrazarotasr)ar.a're'e.ir ros vacíosclecontracción y susmétodosde paradescribiresteaspectodel procesode solidificación solidil'ict,,,i¡i,tlit-t,ccir¡t¡(r/ diseño se logra áplicandola regla de chvorinov al co.trol. [-a solirlificaci(xrtlireccionaldeseacla Por ejemrnolcl.y1t diseñodel sistema de mazarotas' rle la {-trn.iciri'.a s' orie.taci(lnclerrtroclel la mazarotas las de lejos clela lundicióncon menoresrelacionesvlA lus secciones de ¡rltr.al lrc¿rliz¿r. resto líquido parael en estasregionesy el suministrode metal s.lirlil-ic.cirirr.parecerírpr.irrrero voluminosas' más abiertohastaque solidifiquenlas secciones l¿rtir'rliciórr ¡-,cir'a'ecer¿í

254

de metales de la funcJición Capftulo12 / Funclamentos

Enfriadores

externos

(a)

(b)

la soliclificaciírtr paraalentar externos 12.8 (a)Enfriadores FICURA y fundición la de rápidadel metalfundidoen unazonadelgada enfríadores. si no seusanlos (bi resultado probable sumiderosde calor enfi'iudort',t, Otra forma de fomentarla solidificacióndireccionales usar regiottestle l¿tlil¡ldicióll' l'tls ¿'r'internoso externosque causanun enfriamientorápicloert ciertas dcrttrotle la caviclatlitlttcstlcl vitciittlo, tle metal colocatJas friadores internosson pequeñaspartes cleestasparles.El reli'igeritrtle cuyo objetivoes que el métal fundido solidifiqueprimero alrecleclor (ltle se vacía.Esttl se logrit l'¿rbriinternodebeteneruna composiciónquímica igual a la cleltnetal candoel enfriadordel mismo metal que la fundición' clellttolde c¡tte externosson insertosmetálicosen tas paretlcsde la cavicl¿ttl Los enfi.ia¿ores de promover fin a aren¿lcircttnclante, remuevenel calor del metal fundido más rápidamenteque la c¡ueson difícilesclealimentarcon la solidificación.Se usana menudoen seccionesclela fundición que lo hacesolitlificaren estassecciolles metal líquido,el cual encuentraasíun enfriamientorápiclo I-a figtrra l2'8 iltrstratrnaposible mientrasla conexióncon el metal líquicloestátodavíaabielta. externosy el resultadoprobablesi no se tlsaran' aplicaciónde refrigerantes clela cavidacl,es eviTan importantecomo iniciar la solidificaciónen las regionesapropiadas cercanasa la nlazarota'De particular tar la solidificaciónprematuraen las seccionesdel molde Esta conexión debe tliseñarsede interéses la vía de paso entre la mazarotay la cavidad principal. puede aislar el metal fundicloen manera que no se solidifique antes de la fundición, porque minimizar el volumen en la conexión(parareducir es cleseable lamazarota.Aunque generalmente prepararelardarla solidific¿rcitill el desperdicio),la seccióntransversaldel áreadebeser adecuaclar paraque recibacalor tlel ¡lretalfu¡rclido matura.Con esteobjeto se haceel pasajede corta longitud en la mazarotaY en la fundición'

1 2 . 3 . 5 Diseñode la mazarota en U l ' ll l rol tl e tl e l i l ntl icit lt l elt al'cTa l c o m o s e d e s c ri b i ó a n te s ,una mazarota Ifi gura l 2.l (b)l se usa y cotllpellsitr itsí la crllttl'itccitlrl na para alimentar metal líq¡iclo al proceso cltrranteel entl'iantiellto dc t¡ttc l ¿rl i l l l tlicit ill solit lip o r s o l i ¿ i fi c a c i ó n . L a m a z a rota cl ebepennanecerfundi cl ahasta tl cs¡l ttcís cle l¿tlttitzartll¿ttls¿t¡ltltllit rcglit fique. para satisfacereste requerimierito se pueclecalcular el tartritño de Chvorinov. El siguiente ejernplo ilustra los cálcttlos.

.'12.3 Diseñode la mazarotausandola reSlade Chvorinov Ejemplo La ftrncliciólles utl¿t Debe diseñarseuna mazarotacilíndricapara un molclede fundicititlen arella. 3.0 pulg x 5.0 pulg x 1.0pulg. En observacio'esprede acerocon dirnensiones placarectangular = 1.6 rtrirt'La total (75f) paraeslal'unclicitin vias se ha indicadoc¡¡eel tiempo clesoliclificación Deterntinela clinteltsitlnde mazarotacilíndrica tendráuna relacióncle cliárnetroa altura cle 1.0. la mazarotade Inaner¿lque 7..ST= 2.0 mintttos'

y enfri am ient o S ecci ón12.3 l sol i di fi caci ón

255

= nvlAparala placa.Suvolumenv= 3'0x 5'0x 1'0 15'0 la relació Solución: Dete¡¡i¡eprinrero 1 ' 0 )= 4 6 ' 0 p u l g 2 ' D a d o q u e T S T p u l g 3 , y l a s u p e r f i c i e d eAl á=r2e(a3 . 0 x 5 . 0 + 3 . 0 x1 . 0 + 5 . 0 x ón (2'7)usandoun del molda C^ mediantela ecuaci la constante determinar = I .6 min, poclenros valorde rr = 2 en la ecuación. ,T . , t ) 1.6 ST 15'05min/Pulg' v lA\2 (l 5146)2 que su tiernpode solidificacióntotal seade 2'0 rlebcr',s diseñarla rrazarotade maner¿r Dcspue<s ya que tanto la fundición como la mazarota rrri'. trsarrcf'er ,risrlcl valor clela constantedel morde estádado por estíulen el lt'tislllolllolcle.El volurnende la nlazarota

V _

n Dzlt

y el tireatle la strperficieestádadapor

2n Dz 4

A:ÍtDlt*

D = h. Al sustituir1) por /l en las fórmulas = c.r', estarr,s usa'clou'a relación Drrt l .0, entonces clelvolttlnellY el áreatenemos

v-

.

nDj

4 2n D2

A:nD2+-'", 4

--?

:l.5rD"

en la ecuaciónde chvorinov tenemos: ent.rrcesla relaci(rn vlA = Dl6. usando estarelación

(?)'

f Sf : 2.0: 15.05

.,

D7:,*"

2.0

- 0 . 41 8D 2

-4.ltl3 pulg2

D : 2 . 1 8 1p u l g . C o n r oh = D . t a n r b i é nh = 2 . 1 8 7P u l g '

triT

que se separadel procesoy se refundepara representael metal de clesperdicio La rn¿rz.arota seael mf[3srleseitbleque entevolumen clemetal en la mazarota hacer f'u'clici.nes subsecuentes. vlA' maxlmlzar para normalmente se selecciona rri'r'. c.r.' ra forrna geométricacrela mazarota la mazalo más posible.Nóteseque el volumen de esto tie'cle a recrucirel volumen crera mazarota placa de = g.it6 puig3,solamente55Vodel volumen la = rota en nresrroejer'plo es v n-(Z,rgr314 iotal es más grandepor un 257o' (funclició'). i.cluso luancloel tieipo de solidificación 12'l(b) formas.El diseñomostradoen la figura La r.azarotase pueclecliseñaien diferentes de un pequeñocanal' a un lado de la fundición por medio es ufr¿r,td:dt.,to lateral.Está anexada Las rnazaro' la partesuperiorde la superficiede la fundición' [-Jra¡,¿r:,t.ttrustt¡t'.ir,se conectaer la superabierta estáexpuestaal exterioren l)nír nrazá,'oro tirs ptrcrle' scr..l-riertaso sunrergidas. promoviendo de perrnitirque escapemás calor' ra cresventaja r.iciesu'cr.i.r.dc ra tap^, pero tic.'e dentrodel encerrada estácornpletamente ,lrrzt 't¡rrtsirnte,g'iclt¡ trrrirs.litlil.icirciri' 'r¿isriipirl^. LIra n r o l t l ec o l l l ( )c t l l ¿ tf i g u r a l 2 ' l ( b ) '

256

de la funcliciónclenretalcs capítulo 12 I Fundamentos

R E F E R E N C IBAIBSL I O C R A F I C A S Amstead,B. H., Ostwald, P. F., and Begeman'M' L'' Manufacturing Processes,John Wiley & Sons' Inc'' New York, 1987,ChaPters5 and 6' Tec:hnolog,y,NewnesÍ21 Beeley, P. R., Foundry Butterworths,Lond on, 1972'

tll

t3lDatsko,I.,MaterialPropertiesandMarutfctc:turing Processes,JohnWiley&Sons,Inc',NewYork'1966' Chapter 3. vt'itlt I41 Edwards, L., and Endean, M., Maru{acturing Materials, Open University, Milton Keynes, and Butterworth Scientific Ltd., London, 1990,Chapter 2' t51 Flinn, R. A., Fundamentctlsof Metal cQstitrg,AddisonWes leyP ublis hin gC o .,R e a d i n g ,Ma s s .,1 9 6 3 ' C', t6l Heine, R. W., Loper, Jr., C. R., and Rosenthal, Principles of Metal Casting, 2nd ed', McGraw-Hill Book Co., New York, 1967. E. L. (editor), Metalcasting and Moldírt14 Kotzin, Í71 Inc., American Foundrymen'sASSoCiation, Processes,

D e s P l a i n e sI,l l ' , l 9 t i l . gtl t ctl ., vrl . 1.5,(-i l .rl ir r , rq'\ t t t ct 'icit t t Mt,tttl l ;Il ttndbot¡k, Iti f S oci etyfbr Metal s,Mctal s P ark,Ohi o, l 98t i' (ecl i tcl r), I;tl ttndr' \, Teclt nolt lg\ , , t9l Mi kel oni s, P . J' Metals,Iv{etalsPark,ohio, l9tt2' fclr American society W ysk, R ' A'' t r 'I r t t lct 'r t l l 0l N i ebel , B . W ' , D raper,A ' B ' , E ng,i neeri ng,Mc( lr ar v- llill Munnfa(turi ng P xtt' ess B ook C o., N ew Y ork, 1989,C hapters8 and 9' lrulustr'\" t I ll Simpson,B. L., IIislt¡t.t,t¡l'the Metult'asting, 2ncl ed., A meri can Formrl rynl en' sS tl ci et y,lt lc. , l) cs P l a i n e sI,l l . , 1 9 7 0 . M. C ., al l tl W trl f'l',J', I '. t t t t t ulr ¡ ' tl 2f Tayl or,FI. F., Fl enri rrgs, & Stll'ls,Ittc', Ncw Ytlrk' Wiley Engineerirlg, Johlt l 959. ' ' F,'llxtl utul W i c k , C . , B e n e c l i c Jt ,. ' l ' . ,a n c lV e i l l c t t x R tl3f xxtA ,4tl r ct l. , vr l. I I , Ii ttgi ttt,t,t'I!undl s Mttrtrr.l i tcruri ng S 9ci e' ty 6l ' M¿t¡t¡l ' i tcttrri r t g[ ') t t git r ccl's, F' ot.trti ttg,, D earborn,Mi ch., 198' 4,C l l a¡rterl 6'

N T A SD E REPASO PRECU r 2 . 1 .Identifiquealgunasde las ventajasimportantesde los procesosde firnclición' tle la fundición'/ t 2 . 2 .¿Cuálesson algunasde las limitacionesy desventajas de fundición'l t 2 . 3 .¿Cómose llama una fábricaque realizausualmenteoperaciones 12.4.¿Cuates la diferenciaentre un molde abiertoy un molclecerrado'l furldición. r2.5. Mencionelos dos tipos básicosde molde que distinguena los procesoscle cornercialnrente'J importante más t 2 . 6 .l,Quéprocesode fundiciónes el are¡'¡¿t'J t 2 . 7 .lCuat-"r la cliferenciaentreun modeloy un corazónen el ltroldetlct¡n 12.8.¿Quésignifica el término sobrecalentomiento'! Inolde'l t 2 . 9 .¿porqué debeevitarseel flujo turbulentodel rnetalfundidodentrodel cn ftrrrrliciórr'l ftrnditlo 12.10.¿qu¿ Ls la ley de contintictacly cónrose aplicaal flujo clelrnetal ctt cl stt r'¿tciatlo tlt¡l'¿rlltc son algunosde los factoresque al'ectanla fluiclezde ull ttrctall-t¡llcliclo 1 2 . 1 1¿,Cuáles . molde?

12.12.¿Quésignifica en fundición c'olordeJilsión'! melal ptrro'l t 2 . r 3 . ¿Cuál.r-ronlas diferenciasentrela solidificacióncleuna aleacióny la cletln 1 2 . 1 4¿. ,Qu ée s u n a a l e a c i ó ne u técti ca' l es la relaciónconocitlaconroreglatle Chvorinovell lirntlicitirr'l 1 2 . 1 5iCret . de v¿¡ciltl'elrllcl¿tl. des¡rt¡és las tres fuentesde contracciónen una fi¡nclición, t 2 . 1 6 Identifique . es un enfriadoren el procesode fundición'l t 2 . 1 7 iQué .

ile l¿r [-¿rr:alific¿tcititt ¡rtlrccntttal correctasen el siguientecueslion¿tri0. Hay un total cle l3 respuestas pruebadebebasarseen dicho total. o tlesech¿tble,

a la funtlicitinetl arena'lit) rtltllde t 2 . 1 .¿Cuálde los siguientestipos clenlolclecorresponcle

b) molde permanente. 12.2. ¿,Cómose llama la parfe superiordel rrrolclede arena'la\ co¡te,o b) r/r'rr.q. de: ¿r)ca.iade herr¿trltielttas t2.3. lCuat clelas siguientesopcionesclescribea la cajaclelnlolde,en fi¡tttliciti¡l'J los funtlidores,b) la caja que contienela partesuperiore inferior (t'o¡tey drug), c)cl rcc¡l)ierltt'par¿l líquiclo,o cl)rnetalque saleentrelas luitaclesclel¡lltlltle. ma¡tenbrel nret¿rl

Problernas

257

a un canalde alimentación?a) canalen 12.4. En ,na funclidora,1,cuálclelas siguientesopcionescorresponde a la cavidad principal del molde, el rnolde que conclucede la parie inferior del bebederode colada se vacíael metal que muevenel inetal funclidoclel molde, o c) canal vertical en el cual b) funcliclores . eI tltolcle f t¡lrtlidohaci¿r a) tiempo entreel vaciadoy 12.5. ¿,Cuálde las siguientesopcionesclefineel tiempo total de solidificación? ambiente,c) tiempo a temperatura y el enfriado la soliclificacióncompleta,b) tiernp
PROBLEMAS C a l e n t a m i e n tYo v a c i a d o

una gran placaen un molde suficientede cobre puro se va a calentarpara fundirseen carrticlad 12.1. tJrr¿r = 3 p u l g . c a l c u l el a c a n t i d a d d e = l0pulgy P a b i e r . t rL. a p l a c at i e n e , l a sc l i r n e n i i o n .L, = Z } p u l g , A "F supontemperaturade vaciadode 2150 cal.r t¡ue clebeañaclirseal rnetal para calentarloa una necesitaparallenarla cavidad de rnetalcalentadova a serl07o mayor que lo que se ga (lue Ia canticlad oF'calor de fusión = l98l punto = clelrnetalson densidad 0.3241bm/pulg3, cfcf ,ro¡le. [-aspropiedades Btu/lbm-"Fen el estadolíquidoy y clelrncrtal= 0.093 Bru/lbrn-oFerrel estaclosóliclo 0.090 e-s¡rccíl-ic. e l c a l o rd e fu s i (x t= 8 0 Btu/l bm' en la transversal ¿e colaclade longitud= 6.0 pulg, El áreaclela sección 12.2. LJ. r''l¡e tiere u. bebeclero del cavidad la horizontalque alimenta cleltreberleroes 0.5 pulg2.El bebedero.ondu.e a un canal b¿rse la de través a fluye del metalfundidoque ,rolcle.cuyo volrrne' es 75 óulg,. Determinea) la velocidad llenar para de flujo y c) el tiempo requerido bnscclcl bebederode colacla,b) la velocicladvolumétrica

l a c a v i c l a cdle l rn o l d e . cierto molde tiene una longitud= 175 mm' El área 12.3. El bchcderode colaclaque conduceal canalde un 400 tntn2. La cavidad del molde tiene un volurlc l¿rsecci(xrtra'sversal crr la base clel betrecleroes bebedero' del nretalfunclidoque fluye a travésde la basedel ,1c, = 0.(x)| ,rr. l)eter'rirrea) la velocidacl molde' del cavidad la ilenar para requerido h) r^ r,cr.cid*clvorurrétricade frujo y c) er tiempo que fluye entrela copaclevaciadoy el bebedero fundiclo rnetal un de flujo de 12.4. l_avelocidaclvolunrérrica transversal= 1.0 pulg2,en la partesuperiordonde dc c.laclaes tle 50 pulgr/seg.El áreade la sección Determine qué áreadebe tener en el fondo del fa c.¡ra de vaciacloalirnentaal bebederode colada. g.0 pulg. se deseamantenerun flujo constanteentrela partesupetle coladasi su longitud= bebeclcro líquido' rior 1,el fonclo.a fin cleevitar aspiracióndel rnetal de un molde de arenaa una velocidadesta' vaciaclo de 12.5. LJrr'rctar funcliclopuedeverterseen la copa de colada'El copa de vaciadoy fluye en el bebeclero blc tlc 79 pulgs/seg.El nreralfunclidoinundala l'375 pulg' si corl un diárnetro.n iu parte superiorde es recloncla rir.cilrle lu seccirintransver-s¿rl adecuadoen su baseparamantenerla tie¡re10.0pulg de longitucl,detennirreel diámetro cl rrcht-rlcr.o ttlistttrvclocitlaclvtllttltlótricadc f'ltrjtl'

258

c apf t ulol2lt un d a me n to sd e l a fu n d i c i ó nd e m etal es tlc la de coladade u¡r rnolde= | l/sc8.lll irrc¿¡ 12.6. La velocidadde flujo de un metal líquidoen el bebeclero = ¡nrn' 175 y longilttd su ¿,Quéárea seccióntransversalen la parte superiordel bebederoes 800 rnm2 debeusarseen la basedel bebederopara evitar la aspiracióndel metal fundiclo'l ro de colatla a 12;. En la alimentaciónde un molde clearena,el metal fundido puedevaciarseen el bebede vaciado, una velocidadde flujo constanteduranteel tiempo que toma para llenar el molde. Al final clel cle bebedero El vaciado. de copa la en metal de despreciable el bebederoestálleno y hay una cantidad y pulg2 0.8 es parte superior la en transversal sección su de coladaes de 6.0 pulg de longitud.El área tambebedero al que conduce alimentador del en la base= 0.6 pulg2.El áreade la seccióntransversal vobién es de 0.6 pulg2y tieneuna longitudde 8.0 pulg antesde conducira la cavidacldel molde'ctlyo la cavide cerca alimentador, del lumen es 65 pulg3.El volumenclela mazarotalocalizadaa lo largo dad del molde es 25 pulg3.Toma un total de 5.0 seg llenarel molde entero(incluyendola caviclatl,la mazarota,elalimentadory el bebedero).Esto es más que la cantidaclteóricarequeridae intlica una pérdida de velocidad debido a la fricción en el bebederoy en el alimentador.Encuentrea) la velocidad teóricay la velocidadde flujo en la basedel bebedero,b) el volumen total del molde, c) la velocidad real y la velocidadde flujo en la basedel bebederoy d) la pérdidaile altura en el sistemade vaciado debido a la fricción.

Contracción y voltttttert las dinrensiones 12.8. La cavidadde un molde tieneforma de cubo, 100 mm por lado.l)eter¡rritte para la funtlicititles cobrc. del cubo final despuésde enfriarse,a temperaturaanrbiente,si el ltt¿tteri¿rl Asuma que el molde se llena al ernpezarla soliclificacióny (lue l¿tcoltlracciólttlct¡rl'ct¡ltilort¡lclllclllc en todasdirecciones. L = 10.0¡rtrlg,lll = 5.0 pulg 12.9. La cavidadde un molde de funclicióntiene las siguientesdirtrertsioltes de enfriacla,a lemperaturaanrfinal después = y P 1.0 pulg. Determinela dimensiónde la fundición al empezarla solidificación llena biente,si el metal de fundiciónes aluminio.Asuma que el ¡noldese y que la contracciónocurreuniformementeen todasclirecciones. 12.10. Determinela escalaapropiadaparauna reglade contracciónque va a utilizarun modelistapa;a: a) acero en téral bajo carbono,b) bronceo cobrey estañoy c) fundiciónde hierrogris. Expresesttsrespttestas regla a una respecto longitucl con pie cle por elongación pulgada de cle minos de fraccionesdecimales l¿.lL

normal. o/o Las dimensionesfinalesde una fundición de acerocon I de carbonoen fbrma de disco son: cliárlletrtr - 12.0pulg, espesor= 0.75 pulg. Determinelasdimensionesde la cavitladdel rnolcletottrandoen crlenta la contracción.Supongaque la contracciónocurreuniformementeen ttl
Tiempode solidificacióny diseñode mazarotas 12.12. Se sabeque en la fundiciónde acerobajo ciertascondiciones,la constatttedel ntolde para la reglade previas.[.a ft¡ntlicitines ttnaplacaplarlacttyaltlttChvorinov esCo,= l5 min/pulg2,segúnexperiencias = = cu¿i l tl oti erttpol cxtlar iila f b¡ r dipul g.D eterrni rte = 0.7.5 y pul g espesor g i tu d 1 2 .0p u l g , a n c h o 4.0 ción para solidificar. total ,pero trti l i ceun val or de ¡t = 1. 9en la 12. 1 3 . R e s u e l v ae l p ro b l e rn al 2 .l 2para ti empode sol i cl i fi caci ón regla de Chvorinov.¿Quéajustesdebenhacerseen las unidaclestle (-,,,'/ 12.14. Se va a fundir en aluminio una parteen for¡nacleclisco.El rliá¡netrocleltlisco = 5(X)nlrtr y stl cspet:lt sola li¡lrclic:itlll ticrttpotard¿¡r¿i en la reglade ChvorirroV, sor = 20 mm. Si C,,,=2.0 seg/nrrn2 ¿,cuántcl lidificar? de funcliciónrealizadoscon una ciertaaleacióny tipo de Itroltleclcitrettit,ttttapiezit 12.15. En los experimentos en forma de cubo tardó 155 segen solidificar.El cubo tenía50 mm por lado. Deternriltea) el valor de la constantedel molde C,ren la reglade Chvorinov,b) encuentreel tiempo total clesolidificaciónpara y tipo de una fundicióncilíndricacon diámetro= 30 mm y longitud= 50 mm con la misma aleaci
Problems

259

1.0 pulg 12.17. Se conrparael tiempo total de soliclificaciónde tres formas: 1) una esferacon diámetrode 2) un cilindro con diámetroy longitudigualesa I .0 pulg y 3) un cubo con 1.0pulg por lado.En los tres casosse Lrsala misnraaleación.Determirrea) los tiemposrelativosde solidificaciónpara cadafor-ma geornétrica;b) con base en los resultadosde a) ¿cuál de'los tres elementosgeométricosco¡rstituc) si C,,= 18.0minipulg2en la reglade Chvorinov,calculeel tiempototal de yen la mejor mazarota?; olidificaciónparacadafundición' solidificaciónde l2.lg. Ésta .s una variación clel problerna 12.17donde se comparanlos tiempos totalesde = las tres tres fonnasde fundición: l) una esfera,2)un cilindro en el cualLlD 1.0 y 3) un cubo. Para detera) casos: los tres en aleación = la misma pulg3. Usando 1.0 florrrasgeor¡étricas.el volumen V resultados los en base Con b) geornétrica. forma cada r.i'e el tierrrpgrelativo clesolidificaciónpara = 18.0 min/pulg2en la reelementogeornétricoconstituiríala mejor mazarota?c) Si C^ cfea). ¿,c¡ué fundición. cada glu tlc g¡vor.irrev,c¡rlculeel licrnpototal de solidificaciónpara en un molde
a.o2zzaz
+

3.0

--771 . 0

_J__

5.0

radio2.5

ts.o de l a fundi ci ón¡l arael probl ema12.21. f l (;L l f< Ap l Z .2 1 F g rn r ageornétri ca en fornracleesferapara un molde de fundición de acero.La fundición es una u¡rarnaz.arota 12.22. Sc rliscñar¿í = se sabeque el placarcctangularcon una longitud= 200 mm, ancho= 100 mm y espesor l8 mm. Si que tardeen manera de mazarota la de el diámetro riernpotle soliclificacióntotal es 3.5 min, determine solidificar257c n'tásdel tiempoestablecido'

,

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