FUNDICIONES

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TEMA PARA LA MATERIA DE INGENIERÍA DE MATERIALES...t/t

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  • Diapositiva 1Se uso por primera ves hace alrededor de 6000 años. Importante proceso de manufactura para producir partes pequeñas o muy gdes. Metales y polimerosFlujo del metal – en términos de características de diseño del molde y del flujo del fluidoSolidificación y enfriamiento de los metales son afectados por varios factores como las propiedades metalúrgicas y térmicas del metal.El tipo de molde afecta la velocidad del enfriamiento del metal.
  • Diapositiva 2Metales puros.- Luego que la temperatura del metal fundido desciende hasta su punto de solidificación permanece cte. la temperatura hasta que se disipa su calor latente de fusión. Dado su punto de fusión bien definido.
  • Diapositiva 3Temp ambiente o una temp mucho menor que el metal fundido. Capa solidificada – cascara…. Granos columnares
  • Diapositiva 4* En este intervalo de temps. la aleación se encuentra e un estado blando o pastoso que consiste en dendritas columnares. Las estructuras dendríticas contribuyen a factores dañinos como las variaciones en la composición, segregación y micro porosidad de una parte fundida. La microporosidad es los huecos por contracción entre las dendritas
  • Diapositiva 6Estructuras dendríticas gruesas – mucho espacio entre los brazos de las dendritas.
  • Diapositiva 8FIGURA… Sistema básico de fundición por gravedad : el metal fundido se vacía a través de una copa de vaciado; después fluye a través de un sistema de alimentación (bebedero, canales de alimentación y compuertas) dentro de la cavidad del molde. El bebedero es un canal cónico vertical por donde el metal fundido fluye hacia abajo, dentro del molde. Los canales de alimentación lo llevan desde el bebedero al interior de la cavidad del molde, o conectan el bebedero a la compuerta (la parte del canal de alimentación por la que el metal fundido entra en la cavidad del molde). Las mazarotas (también llamadas alimentadores) sirven como depósitos de metal fundido para proveer el metal necesario y evitar porosidad debida a la contracción durante la solidificación.
  • Diapositiva 12Fluidez – capacidad del metal fundido para llenar las cavidades del molde.No hay ninguna prueba de fluidez universal pero se utiliza comúnmente hacer fluir el metal fundido a lo largo de un canal que se encuentra a la temp. ambiente; la distancia que recorre el metal antes de solidificarse y detenerse es una medida de su fluidez . Tal longuitud esta en funcion de las propiedades térmicas del metal y del molde, así como el diseño del canal.
  • Diapositiva 13El tamaño grueso del grano y la presencia de segregaciones de bajo punto de fusión a lo largo de los limites de los granos incrementa la tendencia al desgarramiento en caliente,.
  • Diapositiva 14Inclusiones.. Otras partículas diferentes a las que se dese moldear.
  • FUNDICIONES

    1. 1. FUNDICIÓNPROFESOR: QBA MIGUEL ÁNGEL CASTRO RAMÍREZ
    2. 2. Este proceso de manufactura consta de varios pasos: Se vacía el metal fundido en un molde con la forma a manufacturar Se deja solidificar Se retira la parte del moldeFactores importantes a considerar en las operaciones de fundición: Flujo del metal dentro de la cavidad del molde Solidificaciones y enfriamiento del metal dentro del molde Influencia del tipo y material del molde
    3. 3.  Se vacía el metal fundido en un molde se solidifica se enfría a temperatura ambiente. Se solidifican a temperatura constante. Temperatura como función del tiempo de solidificación de los metales puros. Solidificación ocurre a temperatura constante
    4. 4.  El metal cerca de las paredes del molde, que se encuentran a temperatura ambiente, se enfría con rapidez y produce una capa superficial solidificada Estructuras de metales fundidos solidificados en un mold cuadrado: metales puros, aleaciones de solución solida y estructura por medio de agentes nucleares.
    5. 5.  La solidificación en las aleaciones comienza cuando la temperatura desciende por debajo del liquidus (TL) y termina cuando alcanza el solidus (TS).* Rango de solidificación = TL – TSLa zona pastosa se describe en términos de diferencia de temperatura.
    6. 6. Regla de ChvorinovC = Constante que refleja el material del molde, propiedades del metal y temperatura.n = valor entre 1.5 y 2 (espesor de la cáscara, comúnmente se usa 2)
    7. 7. Velocidades de enfriamiento bajas EstructurasTiempos de solidificación largos dendríticas gruesasVelocidades de enfriamiento mayores EstructurasTiempos de solidificación cortos dendríticas mas finas Las estructuras desarrolladas y el tamaño de grano resultante afectan las propiedades de fundición.Tamaño de grano resistencia y ductilidad en la aleación fundida microporosidad en la fundición tendencia al agrietamiento durante la solidificación. Falta de uniformidad en el tamaño de grano produce propiedades anisotrópicas.
    8. 8.  Dado que la mayoría de los metales, durante la solidificación y el enfriamiento, se contraen se pueden formar cavidades. El hierro fundido gris y el aluminio se dilatan (durante la solidificación)
    9. 9.  Un sistema de alimentación bien diseñado ayuda a evitar enfriamiento prematuro, turbulencia o gases atrapados. Existen dos principios básicos fundamentales en el diseño de canales de alimentación: el teorema de Bernoulli y la ley de continuidad de la masa.
    10. 10.  Teorema de Bernoulli.- se basa en el principio de la conservación de la energía y relaciona presión, velocidad, la elevación del fluido a cualquier punto del sistema y las perdidas por fricción en un sistema lleno de liquido.h= elevación por encima de cierto plano de referenciap = presión a esa elevaciónρ = densidad del fluidof = perdida por fricción en el liquido
    11. 11.  Ley de continuidad de la masa.- establece que para líquidos incomprensibles y en un sistema con paredes impermeables, la velocidad de flujo es constante.Q = gasto volumétricoA = área transversal de la corriente del liquidov = velocidad promedio del liquido de dicha sección. A partir de estos dos principios se desarrollan el método de diseño del bebedero y el de modelación de llenado del molde.
    12. 12.  Un factor a considerarse en el fluido por los canales de alimentación es la turbulencia. El numero de Reynolds (Re) se utiliza para cuantificar esto.  v= velocidad del liquido  D = diámetro del canal  ρ = densidad del liquido.  η = viscosidad del liquidoPara minimizar la turbulencia hay que evitar cambiossúbitos en la dirección del flujo y en la geometría de lassecciones transversales del canal en el diseño del sistemade alimentación.
    13. 13. Afectan a la fluidez: Viscosidad Tensión superficial Inclusiones Patrón de solidificación de la aleación Diseño del molde Material del molde y sus características superficiales Grado de sobrecalentamiento Velocidad de vaciado Transferencia de calor
    14. 14.  Existen 7 categorías básicas de defectos de fundición:A: Proyecciones metálicas.- aletas, rebabas, ampollas y superficies rugosas.B: Cavidades.- cavidades redondeadas o rugosas, internas o expuestas; sopladuras, puntas de alfiler.C: Discontinuidades.- grietas, desgarramientos en frío o caliente.D: Superficie defectuosa.- pliegues, cicatrices superficiales, escamas de oxido.E: Fundición incompleta.- fallas, volumen insuficiente
    15. 15. F: Dimensiones o formas incorrectas.- tolerancia inapropiada para la contracción, error de montaje del molde, contracción irregular.G: Inclusiones.- reducen la resistencia a la fundición. Se pueden formar durante la fusión.
    16. 16. Estos defectos se pueden minimizar o eliminar mediante el diseño apropiado, lapreparación de los moldes y el control de los procedimientos de vaciado
    17. 17. Porosidad Ocasionada por contracción, gases o ambos. Es dañina para la ductilidad de una fundición y para su acabado superficial. Hierro, aluminio y cobre fundido
    18. 18. Las fundiciones pueden ser: Aleaciones ferrosas para fundición. Aleaciones no ferrosas para fundición.
    19. 19. Fundiciones Blancas Se le conoce también como hierro colado. Se encuentra en forma de cementita. Velocidad de enfriamiento rápida. La superficie de fractura es brillante. Alta dureza. Son frágiles. Resistencia al desgaste. Son difíciles de mecanizar. Baja resistencia al impacto.
    20. 20.  Aplicaciones:  Piezas resistentes al desgaste.  Rodillos de molino y trenes de laminación.  Maquinas para el proceso de materiales abrasivos (compuestos cerámicos).
    21. 21. Fundiciones Grises El Carbono se encuentra en forma de grafito. Velocidad de enfriamiento lento. Superficie de fractura gris u oscura. Se puede encontrar tambien en forma de ferrita, martensita o perlita. Facilidad para mecanizar. Alta resistencia al desgaste y corrosión. Conductividad térmica.
    22. 22.  Aplicaciones:  En motores eléctricos.  Tuberías.  Superficies de maquinaria. Especificación (clase):  Clase 20: resistencia a la tensión mínima de 20
    23. 23. Fundiciones Nodulares También se les conoce como dúctiles. Es aleado con magnesio. Aplicaciones:  Maquinaria.  Tubería.  Cigüeñales.  Piezas de alto esfuerzo y resistencia. Especificación (clase o grado):  90-40-05 (resistencia a tensión mínima de 90 ksi, resistencia a la cedencia mínima de 40 ksi, y un 5% de elongación.)
    24. 24. Fundiciones Maleables Se obtiene al recalentar una fundición blanca (tratamiento térmico). Se encuentra en forma de ferrita. Aplicaciones:  Equipo de ferrocarril: acoplamientos, engranes, bielas.  Herrajes. Especificaciones:  “23015”: resistencia a la cedencia de 23 ksi, y un porcentaje de elongación de 15%.
    25. 25. Fundición Hierro de grafito compactado Piezas más ligeras. Resistencia al desgaste similar a hierro gris. Aplicaciones:  Motores.  Cabezas de cilindro.
    26. 26. En base Aluminio Alta conductividad eléctrica. Resistentes a la corrosión. Aplicaciones:  Industriaautomotriz (monobloques de motores, cabezas de cilindro, cajas de trasmisión, suspensión, entre otros).  Diseño arquitectónico.
    27. 27. En base a Magnesio Densidad baja. Resistencia a la corrosión. Resistencia a la termoinfluencia. Aplicaciones:  Envases.  Industria aeronáutica( hélices, ruedas automotrices, motores).
    28. 28. En base a Cobre Alta conductividad térmica y eléctrica. Alta resistencia a la corrosión. No son toxicas. Aplicaciones:  Engranes  Tubería  Herraje
    29. 29. En base a Zinc Bajo punto de fusión. Alta resistencia. Aplicaciones:  Estructuras  Baterías
    30. 30.  El costo de un material fundido de pende de diferentes factores como equipo utilizado, maquinaria, mano de obra, materia prima, moldes, matrices, tiempo, entre otros.
    31. 31. Proceso de Fundición
    32. 32. Proceso de Fundición
    33. 33. Los procesos de fundición seclasifican en dos grupos: procesos que utilizan moldes desechables procesos que utilizan moldes permanentes
    34. 34. Procesos de moldesdesechables moldes de arena tradicional moldes acorazados moldes con patrones desechables moldeo por inversión
    35. 35. Procesos de moldespermanentes fundición hueca moldeo a presión moldeo al vacío
    36. 36. El proceso tradicionalEl proceso tradicional de fundición se realiza en arena, por ser ésta un material refractario (mantiene sus propiedades a altas temperaturas) muy abundante en la naturaleza, mezclada con arcilla, adquiere cohesión y maleabilidad sin perder la permeabilidad que posibilita evacuar los gases del molde al tiempo que se vierte el metal fundido.
    37. 37. La fundición en arena consiste en colar un metal fundido, típicamente aleaciones de acero, bronce, latón y otros, en un molde de arena, dejarlo solidificar y posteriormente romper el molde para extraer la pieza fundida.
    38. 38. Para la fundición con metales como el hierro o el plomo, que son significativamente más pesados que el molde de arena, la caja de moldeo es a menudo cubierta con una chapa gruesa para prevenir un problema conocido como "flotación del molde", que ocurre cuando la presión del metal empuja la arena por encima de la cavidad del molde, causando que el proceso no se lleve a cabo de forma satisfactoria
    39. 39. Para calcular bien los parámetrosse requiere de: tiempo que tarda en llenarse un molde flujos volumétricos para metales tiempo de solidificación local tiempo de solidificación total dimensiones de moldes para metales dimensiones de las bandas al ser diseñados en base a las especificaciones de la pieza
    40. 40. Problema
    41. 41. Tipos de Moldes Moldes desechables  Se producen usualmente con arena, yeso, cerámica y materiales similares que se mezclan con aglutinantes para mejorar sus propiedades. Soportan altas temperaturas y se rompe el molde para retirar la fundición cuando ésta se solidifica Moldes permanentes  Se fabrican con metales que mantienen su resistencia a temperaturas elevadas. Se usan más de una vez, por lo que debe ser fácil retirar la fundición. Son mejores conductores de calor que los desechables, por lo que enfría más rápido Moldes compósitos  Se producen con dos o más materiales y combinan las ventajas de cada uno. Tienen partes desechables y otras permanentes. Mejora resistencia del molde y controla velocidad de enfriamiento
    42. 42. Procesos de fundición de moldedesechable Fundición en arena Molde de cáscara (caja de volteo) Molde de yeso Moldes cerámicos Modelo evaporativo Revestimiento
    43. 43. Fundición en arena Es el método tradicional de fundición de metales. Se ha usado por milenios y sigue siendo el más usado. Se usa para bases para máquinas, impulsores de turbinas, propulsores, accesorios de plomería, componentes para equipo agrícola, equipo de ferrocarriles, entre otros. Se usa, en su mayoría, arena sílice (SiO2) por sus características de alta temperatura, elevado punto de fusión y su bajo costo.
    44. 44.  Consiste en:  Colocar un modelo con la forma de la fundición deseada en arena, para hacer una impresión  Incorporar un sistema de alimentación  Retirar el modelo y llenar con metal fundido la cavidad del molde  Esperar a que se enfríe y se solidifique el metal  Separar el molde de la arena  Retirar la fundición
    45. 45. Moldes de arena De arena verde  Es el más común y es una mezcla de arena, arcilla y agua. Está húmedo en el interior. Es el menos costoso y se recicla fácilmente la arena. De caja fría  Se mezcla la arena con varios aglutinantes orgánicos e inorgánicos para unir químicamente los granos y obtener una mayor resistencia. Dimensiones más precisas que arena verde pero más caro. Sin cocción  Se agrega una resina sintética líquida a la arena y la mezcla se endurece a temperatura ambiente.
    46. 46. Esquema de un molde de arena
    47. 47. Modelos Se usan para moldear la mezcla de arena y dar forma a la fundición. Pueden ser hechos de madera, plástico o metal, dependiendo del tamaño y forma de la fundición, precisión, proceso de moldeo y cantidad de fundiciones requeridas. Se recubren con un agente de separación para extraer los moldes más fácilmente. Pueden ser  De una sola pieza, para formas simples y cantidades bajas  Divididos, son de dos piezas y sirven para formas complicadas  De placa bipartidos, de dos piezas, cada una montada en el lado de una placa sencilla. Se usa para fundiciones pequeñas y grandes lotes de producción
    48. 48. Máquinas para moldeo dearena Antes se compactaba la arena mediante martillado manual, pero ahora se hace con máquinas de moldeo. Moldeo vertical sin caja  Se lanza la arena sobre una pared vertical formada por las mitades del modelo. Las mitades del molde se apilan horizontalmente y se conducen a lo largo de un transportador de vaciado Lanzadores de arena  Se llena uniformemente la caja con arena con una corriente de alta presión. Un impulsor lanza la arena y la aprieta apropiadamente
    49. 49. Moldeo Vertical sin caja
    50. 50.  Moldeo por impacto  Se compacta la arena mediante una explosión controlada o por liberación instantánea de gases comprimidos. Moldeo de vacío (proceso V)  Se cubre el modelo con una delgada lámina de plástico y se coloca la caja sobre el modelo. Se llena con arena seca sin aglutinante. Se pone otra lámina sobre la parte superior de la arena y una acción de vacío compacta la arena, para que se pueda retirar el modelo.
    51. 51. Operación de fundición enarena Se da forma al molde de alimentación Se colocan los machos mediante oxígeno y gas combustible Se cierran las mitades  Se limpia la fundición Se solidifica la fundición con productos químicos Se saca la fundición del  Se puede dar molde tratamiento térmico Se retira la arena y para mejorar óxido por vibración o propiedades con chorros de arena  Acabado Se cortan las  Inspección mazarotas y sistemas
    52. 52. Moldeo con grafito compactado Los metales reactivos, como el titanio y zirconio, reaccionan vigorosamente con la sílice. En estos casos se usan moldes creados con grafito compactado. Los procedimientos de fundición son similares a los de los moldes de arena.
    53. 53. Moldeo en cáscara Se desarrolló en la década de 1940 Tolerancias dimensionales cerradas Buen acabado superficial Bajo costo Ejemplos:  Cajaspara engranes  Corazones de moldeo  Cabezas de cilindros y bielas
    54. 54. Moldeo en cáscara  Se calienta el modelo entre 175°C y 370 °C  Se recubre con un agente de separación  Se sujeta a una caja con arena mezclada con un aglutinante de resina termofija (fenolformaldehido)  Se voltea la caja  Se pone el ensamble en un horno por período corto  La cáscara se endurece alrededor del modelo y se retira como dos medias cáscaras
    55. 55. Característica de las cáscaras Ligeras Delgadas (de 5mm a 10mm) Menos permeabilidad que las de arena verde Reduce costos de limpieza, acabado y maquinado Menos manos de obra Fácil de automatizar
    56. 56. Fundición en molde de yeso Gran exactitud dimensional Buen acabado superficial Se usa para componentes de cerraduras, engranes, válvulas, ornamental, entro otros Baja permeabilidad Enfriamiento lento  estructura más uniforme de granos Se usa para aluminio, magnesio, zinc y algunas aleaciones de cobre Se usan modelos hechos de aleaciones de aluminio o zinc, de plástico termofijos y de bronce
    57. 57. Fundición en molde de yeso El molde se fabrica con yeso o sulfato de calcio, talco y harina de sílice. Se mezclan con agua y se vierte en el modelo Se endurece el yeso y se retira Se seca el molde (120 °C-260 °C) para retirar humedad Se ensamblan las mitades del molde para formar la cavidad Se precalienta a 120 °C Se vacía el metal fundido
    58. 58. Fundición en molde de yeso Por la baja permeabilidad, los gases no pueden escapar, por lo que el material fundido se vierte en vacío o a presión Se puede incrementar la permeabilidad por el proceso Antioch. Se deshidratan los moldes en un horno presurizado de 6 a 12 horas y luego se rehidratan en aire por 14 horas
    59. 59. Fundición de modeloevaporativo También conocido como proceso de fundición de modelo desechable o proceso de molde-modelo desechable Se debe producir un modelo y un molde para cada fundición Se usan en  Cabezas para cilindros  Monobloques para motores  Cigüeñales  Componentes para frenos  Bases para máquinas
    60. 60. Fundición de modeloevaporativo
    61. 61. Fundición por revestimiento También llamado proceso a la cera perdida Se utilizó por primera vez entre 4000 y 3000 a.C. Se usa para producir componentes para equipo de oficina y componentes mecánicos (engranes, válvulas, manerales) Se pueden fundir partes de hasta 1.5m de diámetro y 1140Kg
    62. 62. Fundición por revestimiento
    63. 63. Fundición por revestimiento de cáscara cerámica a) Ensamble del modelo de cera b) Cáscara cerámica alrededor del modelo de cera c) Se funde la cera y se llena el molde en vacío, con una súper aleación fundida d) Rotor fundido producido con una forma neta- Se usa para la fundición de precisión de aceros y aleaciones de altatemperatura- Usa mismo modelo de cera o plástico, pero se sumerge primero en gel desilicato de etilo y luego en cama fluida de sílice fundida de grano fino o harinade zirconio- Se sumerge en sílice de grano más grueso
    64. 64. Procesos de fundición en moldepermanente Materiales de alta resistencia a la erosión y fatiga térmica, como hierro fundido, acero, latón, grafito. Se producen pistones, cabezas para cilindros, bielas, discos para engranes de electrodomésticos y artículos de cocina. La cavidad y sistema de alimentación se maquinan en el molde Se recubren las superficies de los moldes con lodo refractario para aumentar la vida o se rocían con grafito. Los moldes se calientan entre 150°C y 200 °C para facilitar el flujo del metal Se utilizan medios especiales para enfriar el molde Altos costos de equipo Bajo costo de mano de obra
    65. 65. Procesos de fundición en moldepermanente Fundición de vacío Fundición hueca Fundición a presión Fundición a presión en matriz Fundición centrífuga Fundición por dado impresor Operaciones de fundición en molde compósito
    66. 66. Fundición de vacío Adecuada para formas complejas con paredes delgadas. Se producen súper aleaciones para turbinas de gas Puede automatizarse Costos de producción similares a los de la fundición en arena verde
    67. 67. Fundición de vacío
    68. 68. Fundición hueca y fundición apresión Hueca  Se vacía el metal fundido en un molde metálico y se gira cuando se tiene el espesor deseado en la capa superficial. Se vacía el metal líquido restante. Se abre el molde y se retira la fundición A presión  Elmetal fundido se fuerza hacia arriba mediante presión de gas dentro de un molde metálico o de grafito. Se mantiene la presión hasta que el metal se solidifica por completo
    69. 69. Fundición a presión en matriz Se desarrolla a principios de 1900 Se usa para cajas y monobloques para motores, componentes para máquinas de oficina, juguetes, herramientas manuales, entre otros Equipo de alto costo, mano de obra de bajo Produce con rapidez partes fuertes de alta calidad y formas complejas Buena precisión dimensional Buenos detalles en la superficie Paredes delgadas
    70. 70. Fundición a presión en matrizen cámara caliente
    71. 71. Fundición a presión en matrizen cámara fría
    72. 72. Fundición centrífuga Usa las fuerzas de inercia para distribuir el metal fundido en las cavidades del molde. Hay 3 tipos  Fundición realmente centrífuga  Fundición semicentrífuga  Centrifugado
    73. 73. Fundición centrífuga
    74. 74. Fundición por dado impresor Desarrollado en la década de 1960 Solidificación de metal fundido a alta presión Se usa para componentes automovilísticos y cuerpos de morteros.
    75. 75. Solidificación rápida Se enfría el metal fundido a velocidades de hasta 1000000 K/s, para que no tenga tiempo de cristalizarse. Produce aleaciones amorfas (vidrios metálicos) Efectos como ampliación significativa de la solubilidad de sólido y refinamiento de grano
    76. 76. Inspección de las fundiciones Las fundiciones se pueden inspeccionar visualmente para defectos superficiales Se estudia resistencia, ductilidad y otras propiedades mecánicas por pruebas destructivas Se usan pruebas no destructivas para revisar defectos internos y bajo la superficie. Las fundiciones inaceptables se funden otra vez para reprocesarlas
    77. 77. Hornos para fusión De arco eléctrico  Capacidad elevada de fusión. Causan menos contaminación y pueden mantener el metal fundido a temperatura constante De inducción  Seusan en pequeños talleres. Producen fusiones de composición controlada más pequeñas
    78. 78. Hornos para fusión De crisol  Se calientan con combustibles como gases comerciales. Cubilotes  Producen grandes cantidades de metal fundido.
    79. 79. Dos principios básicos en el diseño decanales de alimentación. A- Bernoulli y ley de continuidad de masa. B- Bernoulli y Chvorinov C- Chvorinov y ley de continuidad de masa. D- Ninguna de las anteriores.
    80. 80. Tipos de aleaciones parafundición. A- Cerámicas. B- Iónicas y covalentes. C- ferrosas y no ferrosas. D- hierro blanco y gris. E- otro (especifique)
    81. 81. Características de moldespermanentes. A- altos costos. B- se utilizan materiales de alta resistencia a erosión y fatiga térmica. C- alto costo mano de obra. D- A y B E- todas las anteriores.
    82. 82. Defectos de fundición. A- Porosidad. B- Cavidades. C- Fundición incompleta. D- Discontinuidades. E- todas la anteriores.
    83. 83. Tipos de molde A- desechables. B- permanentes. C- compósitos D- todas las anteriores E- ninguna de las anteriores.
    84. 84. Rescate:Densidad de aluminio. A- 2.17 B- 2.7 C- 27.7 D- 2.07 E- 21.7

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