Ingeniería de FabricaciónGrado en Ingeniería Mecánica Grado en Ingeniería Electrónica Industrial Grado en Ingeniería Eléctrica Grado en Ingeniería de Organización Industrial Tema 2.1 Introducción a la Fundición Área de Ingeniería de los Procesos de Fabricación Departamento de Ingeniería Mecánica y Minera Escuela Politécnica Superior de Jaén Profesor D. Francisco Javier Trujillo Vilches Curso Académico 2015-2016 (Segundo Cuatrimestre) CONTENIDOS 1. Concepto de conformado por moldeo 2. Aleaciones para fundición 3. Mecanismos de solidificación 4. Elementos básicos del proceso de moldeo 5. El modelo 6. El molde 7. Proceso de moldeo y parámetros 8. Tipologías de colada 9. Defectos en piezas fundidas 10. Clasificación de los procesos de fundición 1. Concepto de conformado por moldeo El conformado por moldeo (fundición o colada) es un proceso basado en la fusión de metales y la posterior colada de estos en un hueco o molde que reproduce la forma de la pieza que se desea obtener, sucediéndose a continuación la solidificación en el enfriamiento 3 1. Concepto de conformado por moldeo • El moldeo es uno de los más antiguos procesos de conformado, que se remonta 4.000 años atrás. • En el proceso de fundición el metal fundido fluye por gravedad u otra fuerza dentro de un molde donde se solidifica y toma la forma de la cavidad del molde • A priori, el principio de la fundición es sencillo: 1) Se funde el metal 2) Se vierte en un molde 3) Se deja enfriar 4) Se extrae la pieza • Sin embargo, hay que considerar una gran cantidad de variables • La fundición incluye la fundición de lingotes y la fundición de formas 4 1. Concepto de conformado por moldeo VENTAJAS: LIMITACIONES: Facilidad y economía en la fabricación de piezas complicadas (bloques de cilindros, culatas, bancadas, etc.) En general, pobres propiedades mecánicas Pueden aparecer porosidades y defectos metalográficos en la solidificación Para piezas grandes y pequeñas Para series grandes o cortas Piezas finales o casi finales Empleo de metales y aleaciones no aptos para conformado por deformación o soldadura Tolerancias no estrechas y acabados pobres Requieren otras operaciones de acabado Riesgos laborales para trabajadores Problemas ambientales En general, proceso económico 5 Sb y Cu 6 . Ni. P. Mo. Mn. Materiales para fundición ALEACIONES PARA FUNDICIÓN Fundiciones blancas Fundiciones ordinarias: Fe. C. V Fundiciones especiales Aceros Bronces: Cu y Sn Aleaciones de cobre Bronces de aluminio Latones NO FÉRREAS Aleaciones de aluminio Aleaciones ligeras Aleaciones de magnesio Aleaciones de zinc Aleaciones anfitrión: Sn.2. S FÉRREAS Fundiciones grises Fundiciones atruchadas Fundiciones aleadas Cr. Si. Cu. 2. Materiales para fundición Temperaturas de fusión de algunos metales y aleaciones metálicas 7 . Materiales para fundición • La Fluidez determinará la idoneidad de un material para ser utilizado: Es una medida de la capacidad del metal para llenar el molde antes de enfriarse. como el molde espiral Los factores que afectan la fluidez: Temperatura de vaciado Composición del metal Mecanismos de solidificación Viscosidad del metal líquido Calor transferido a los alrededores 8 . La fluidez es inversa a la viscosidad Existen métodos de ensayo para valorar la fluidez.2. además de los mecanismos de solidificación. el calor de fusión (cantidad de calor requerida para que el metal pase del estado líquido al sólido) • Un mayor calor de fusión tiende a incrementar la medida de la fluidez en la fundición 9 . Mecanismos de solidificación • La composición del metal determina.3. 15% C que se enfría y solidifica 10 . Mecanismos de solidificación CONTRACCIONES VOLUMÉTRICAS Masa de acero fundido de 0.3. Vertido FASE 1. Contracción en la fase sólida 11 .3. Mecanismos de solidificación Problemas asociados a la contracción • Al disminuir la temperatura. De otra forma la contracción provocará una pieza fuera de tolerancias FASE 0. los materiales se contraen dimensionalmente • Durante la fase de diseño es necesario tener en cuenta las contracciones para sobre-dimensionar la cavidad del molde. Contracción en la fase liquida FASE 2. Contracción durante la solidificación FASE 3. Mecanismos de solidificación • El proceso de solidificación involucra el paso del material fundido a sólido • La forma de cómo se produce difiere si el material es un metal puro o una aleación Metales puros • El metal puro solidifica a una temperatura constante.3. el cambio de estado se produce en el punto de fusión • Solidificación de fuera hacia dentro. con posibilidad de aparición de dendritas por enfriamiento rápido • La concentración de la aleación en el frente de solidificación será distinta de la concentración promedio en el sistema 12 . 3. • El rango dependerá de la aleación y su composición • Inicio solidificación: Película de granos equiaxiales en las paredes del molde • Solidificación intermedia: Coexistencia de líquido y dendritas • Solidificación final: Granos equiaxiales 13 . Mecanismos de solidificación Aleaciones • Las aleaciones solidifican en un intervalo de temperatura y no a temperatura constante. 4. Elementos básicos del proceso de moldeo Pieza Cajas de Machos Fabricación de machos para moldes perdidos Modelo (Reproducción fiel o casi fiel de la pieza final) Molde (negativo de la pieza) Machos Materialización de huecos en negativo Cajas de moldeo (moldeo en arena) 14 . Elementos básicos del proceso de moldeo Cubilote o crisol Bebederos y mazarotas Canales de colada Horno 15 .4. para minimizar los defectos posibles habrá que estudiar el diseño de la pieza • El material en el que se fabrica el modelo dependerá del tipo de proceso Modelo Pieza fundida Molde 16 . ángulos de desmoldeo. modificada atendiendo al proceso.5. El modelo • Es el prototipo de la pieza que se desea fabricar. • Sirven para confeccionar el molde • Deben contener las características dimensionales de la pieza • Habrá que tener en cuenta el proceso y las consideraciones de diseño del tipo de proceso (contracciones. etc…) • En general. plástico. El modelo Tipos de modelos y cajas de machos Clasificación de los modelos Al natural Completos Con machos Enterizos Divididos Enterizos Divididos De esqueleto Terrajas Simplificados o reducidos Plantillas de traslación Plantillas de forma Perecederos o perdidos (generalmente enterizos) • Modelos desechables: Cera y poliestireno • Modelos recuperables: Madera. metal 17 .5. 5. El modelo Clasificación de los modelos Modelo externo o modelo propiamente dicho Naturales Enteros Partidos Simplificados Esqueletos Armazón Plantilla Modelos internos 18 . El modelo Clasificación de los modelos Modelos externos o modelos propiamente dicho Naturales Enteros Partidos Simplificados Esqueletos Armazón Plantilla Modelos internos 19 .5. b) modelo. El modelo Clasificación de los modelos Modelos externos Naturales Enteros Partidos Simplificados Esqueletos Armazón Plantilla Modelos internos a) pieza de fundición. Cierre de molde con macho 20 . d) macho.5. c) caja de noyos. El modelo Clasificación de los modelos Placas modelo: Sencillas (las dos mitades en la misma cara de la placa) Reversibles (las dos mitades en caras opuestas) Doble Placa (cada mitad en una placa) .5. MODELOS PERMANENTES Ventajas Inconvenientes El proceso requiere menos tiempo.5. Modelo destruido en el proceso No se necesitan tolerancias especiales para extracción Modelos delicados de manipular El acabado uniforme y bueno No se requiere complejos de No puede ser revisado el modelo de la cavidad modelos No se requieren machos 22 . El modelo MODELOS DESECHABLES VS. Posibilidad de evitar la aparición de deformaciones durante el enfriamiento de la pieza 23 . Creces para el mecanizado de aquellas superficies en que se precise 4. Contracción del material de la pieza al solidificar 3.5. Facilidad de desmodelado 2. El modelo Factores a considerar en el diseño de los modelos 1. El modelo Factores a considerar en el diseño de los modelos FACILIDAD DE DESMOLDEADO molde desmontable (dos o más partes) ángulos de salida (tabulados en función del tipo de material) Modelo desmontable 24 .5. 5. El modelo Factores a considerar en el diseño de los modelos CONTRACCIÓN Al enfriarse el metal se contrae < dimensión que el molde El modelo se habrá de realizar algo mayor que el original. 25 . El modelo Factores a considerar en el diseño de los modelos CRECES DE MECANIZADO Para poder mecanizar se añade un exceso de material creces de sobremedida Mecanizado del espesor suplementario DEFORMACIONES 26 .5. cerámica o metal. El molde • Es el elemento que tiene en su interior la cavidad con la forma de la pieza que se desea obtener. • Se fabrica de distintos materiales en función del proceso: Arena. • Pueden ser abiertos y cerrados. • El molde debe estar ajustado para compensar la posible contracción del material durante la solidificación.6. yeso. El molde abierto sólo se utiliza para lingotes • Pueden ser permanentes (coquilla) o desechables (arena. se suele calentar antes de hacer la colada. cerámica…) 27 . • Para prevenir defectos. 6. El molde Molde desechable (arena) Moldes permanentes (coquillas) para fundición inyectada Molde desechable (cerámico) Moldes permanentes (coquillas) para fundición por gravedad 28 . 6. El molde Elementos típicos del molde Bebedero Cono de colada • • • • • • • Bebedero Cono de colada Canales de distribución Ataque Mazarotas Macho o noyo Línea de partición o divisoria Línea de partición Cavidad Mazarota del modelo Ataque Canales de Macho distribución 29 . El molde CONO DE COLADA Y FILTROS CONO DE COLADA: Es el encargado de recibir el metal de la cuchara y dirigirlo al bebedero.6. garantizando la alimentación uniforme del molde Misión: Facilitar el vertido del metal fundido y mantener el flujo necesario Reducir al mínimo las turbulencias y remolinos Atenuar el golpe del chorro del metal contra el molde FILTROS: Van montados entre el cono de colada y el bebedero Pueden ser de arena o de metal refractario Misión: Evitar la entrada de escoria y regular la velocidad de colada 30 . 6. El molde BEBEDERO Es el conducto encargado de recoger el metal fundido del cono de colada y conducirlo a los canales de colada Suelen estar dispuestos de forma vertical Su sección suele ser en forma de tronco de cono con la base menor hacia abajo Objetivo: Que el molde se llene de forma correcta Que durante la colada permanezca lleno Que no se produzcan erosiones ni choques 31 . Muy útil en las aleaciones pesadas ATAQUES: Encargados de introducir el metal fundido en la cavidad del molde Su número y disposición depende de la forma y tamaño de la pieza 32 .6. para eso se coloca por encima del plano de los ataques La escoria al ser de menor densidad del metal fundido. se quedan flotando en el canal de colada y no entran en el molde. El molde CANALES DE DISTRIBUCIÓN Conductos que reciben el metal del bebedero y lo conducen a las entradas o ataques Puede actuar como colector de escorias. basta con pinchar vientos Piezas grandes uno o más MAZAROTAS: Sustituyen a los respiraderos cuando la aleación que se va a colar tiene un elevado coeficiente de contracción Alimentan a la pieza con metal líquido durante la solidificación para evitar rechupes 33 . El molde Respiraderos y mazarotas RESPIRADEROS: Son conductos que se realizan en el molde para: dar salida al aire y a los gases que se originan durante la colada. evacuar las escorias que se hayan podido colar. regular la entrada del metal en el molde.6. Piezas pequeñas no suelen llevar respiradero. procurando que ésta sea dirigida desde la pieza hacia la mazarota Es importante dimensionar la conexión de la mazarota a la cavidad para que no solidifique antes que la pieza (la mazarota es material de desecho por lo que no conviene sobredimensionarla).6. Facilidad de eliminación de las mazarotas tras la colada Las mazarotas sobre secciones planas son más fáciles de cortar que las que se apoyan sobre superficies curvas 34 . independientemente de su tamaño y de su cálculo más o menos correcto estudio previo para conocer nº y situación más conveniente Recomendaciones generales para mazarotas Deben situarse en las zonas de más difícil alimentación Zonas masivas de última solidificación. El molde Radios de acción de las mazarotas Limitado más allá del cual su influencia es nula. El molde ENFRIADORES: Elementos metálicos para acelerar la solidificación en su radio de acción 35 .6. Proceso de moldeo. Parámetros PROCESO DE FUNDICIÓN DISEÑO Y FABRICACIÓN DE ELEMENTOS DEL MOLDEO FUNDIR METAL PREPARAR ELEMENTOS DE MOLDEO MOLDEO DESBASTE LIMPIEZA SUPERFICIE COLADA SOLIDIFICACIÓN DESMOLDEO INSPECCIÓN TRATAMIENTO TÉRMICO MECANIZADO 36 .7. cantidad. fluidez) Proceso de solidificación (características finales) Retirada de molde (especialmente en los permanentes) Limpieza. DE FUNDICIÓN Molde (forma. Proceso de moldeo. recuperación) Fusión del metal . Parámetros PRINCIPALES FACTORES QUE INFLUYEN EN EL PROC. calidad) Colada (evacuación gases. elección sistema f (T fusión. acabado e inspección (operaciones + tratamientos) 37 .7. resistencia. Proceso de moldeo. o Para calcular la velocidad optima de vertido se utilizará la ecuación de Bernouilli: ?= 2·?·ℎ V = velocidad del metal líquido base del bebedero g = constante de la gravedad H = altura del bebedero 38 . el vertido se realiza a una velocidad que asegure el llenado correcto del molde • Una velocidad alta generará turbulencias erosiones que provocarán defectos. que también provocará defectos. Parámetros Velocidad de llenado Una vez fundido el material. en función de su fluidez.7. • Una velocidad baja generará un enfriamiento prematuro o un descenso de la fluidez. el área se reduce a medida que el líquido desciende y se acelera (de otra forma.7. Proceso de moldeo. y que el canal de alimentación es horizontal y por tanto no interviene la altura 39 . es inmediato el cálculo del tiempo de llenado del molde: ??? = ? ? MTF = Tiempo de llenado del molde (s) V = volumen de la cavidad Q= velocidad del flujo volumétrico (mm3/s) Para estos cálculos se acepta que el bebedero es ahusado. Parámetros Tiempo de llenado La velocidad de flujo volumétrico de llenado del molde se puede calcular a partir de la ecuación de continuidad: Q= ?1 ·?1 = ?2 ·?2 Q = velocidad del flujo volumétrico (mm3/s) v = velocidad A = área de la sección A partir de este flujo. aspiraría aire). Parámetros Tiempo de solidificación El tiempo de solidificación es función del volumen de la fundición y de su área exterior (regla de Chvorinov): ? ?? = ? · ? 2 ts= tiempo de solidificación (segundos) C = cte función del material empleado.7. la temperatura de la colada y las características del molde V = volumen A = área exterior 40 . Proceso de moldeo. Tipologías de colada Canales de colada. Conjunto de canales que conducen la aleación líquida hasta la cavidad del molde para el llenado del mismo FORMAS PRINCIPALES DE COLADA Colada directa o por lluvia Colada por la línea de partición del molde Colada por el fondo o sifón Colada escalonada o por etapas • Piezas sencillas • Gran tamaño • Menor cantidad de material fundido • Erosión moldes resistentes 41 .8. Tipologías de colada Canales de colada.8. Conjunto de canales que conducen la aleación líquida hasta la cavidad del molde para el llenado del mismo FORMAS PRINCIPALES DE COLADA Colada directa o por lluvia Colada por la línea de partición del molde Colada por el fondo o sifón Colada escalonada o por etapas • Sencillo • Menor erosión que colada directa 42 . 8. Tipologías de colada Canales de colada. Conjunto de canales que conducen la aleación líquida hasta la cavidad del molde para el llenado del mismo FORMAS PRINCIPALES DE COLADA Colada directa o por lluvia • Turbulencias y erosión reducidas • Fondo del molde tarda en solidificar • Problema rechupes Colada por la línea de partición del molde Colada por el fondo o sifón Colada escalonada o por etapas 43 . Tipologías de colada Canales de colada.8. Conjunto de canales que conducen la aleación líquida hasta la cavidad del molde para el llenado del mismo FORMAS PRINCIPALES DE COLADA Colada directa o por lluvia • Corrige los problemas de la colada por el fondo • Mayor complejidad Colada por la línea de partición del molde Colada por el fondo o sifón Colada escalonada o por etapas 44 . 9. Defectos en piezas fundidas Fusión Se producen durante Colada Solidificación Visibles Pueden ser Ocultos 45 . 9. ..... piezas no llenas. Concavidad por la parte de mayor espesor 46 .) De forma Desplazamiento de las cajas por juego entre pernos y agujeros de orejas Encorvamiento por heterogeneidad de espesores. inclusiones de arena. Defectos en piezas fundidas DEFECTOS VISIBLES De forma (deformaciones.) De superficie (aspecto basto.) De conjunto de la pieza (intermitencia. aplastamientos.. 9. piezas no llenas.) De conjunto de la pieza (intermitencia. aplastamientos. Defectos en piezas fundidas DEFECTOS VISIBLES De forma (deformaciones.. . inclusiones de arena...) De superficie (aspecto basto..) De forma Reducción de espesor debida a exceso de peso en la caja superior Desigualdad del espesor de tubos por desplazamiento del macho por presión metalostática 47 .. no se sueldan Intermitencia Pieza incompleta por elevada altura de la caja superior 48 .9. Defectos en piezas fundidas DEFECTOS VISIBLES De superficie Exfoliación: desprendimiento de arena en la parte inferior que flota en la cara superior Hinchazones por hundimiento de arena Darta: terrón de arena que no termina de desprenderse De conjunto El metal líquido rodea el hueco y cuando se unen las dos corrientes. .) Composición y estructura inadecuada (temple inverso.. burbujas y vesículas debidas al exceso de humedad del molde Rechupe generado por mazarota insuficiente Modos de prevenir rechupes: enfriadores internos o externos 49 .) Agujeros.9. escoria. rechupes... grafito.) Inclusiones de materias heterogéneas (arena. . segregaciones de grafito. Defectos en piezas fundidas DEFECTOS OCULTOS Soluciones internas de continuidad (sopladuras.. 9. Defectos en piezas fundidas 50 . Clasificación de los procesos de fundición Arena PROCESOS DE MOLDEO Modelo recuperable Molde desechable Cáscara Shaw Yeso Unicast Cerámica CO2 Microfusión Modelo perdido Moldeo con revestimiento Mercast Colada por gravedad Molde permanente (coquilla) Colada a presión Colada centrífuga 51 .10.
Report "Tema 2.1. Introduccion a La Fundicion (Color)"