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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECANICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD AZCAPOTZALCO

CALCULO DE ALIMENTACIÓN DE PIEZAS FUNDIDAS DE HIERRO COLADO GRIS, POR EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL

TESIS

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: INGENIERO MECÁNICO

PRESENTA:

Agustín García García

ASESORES:

M. EN I. Jesús García Lira ING. Juan José Arenas Romero

AGRADECIMIENTOS

CALCULO DE ALIMENTACIÓN DE PIEZAS FUNDIDAS DE HIERRO COLADO GRIS, POR EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL

QUIERO EXPRESAR MI AGRADECIMIENTO

A mi madre, a quien le agradezco sus sacrificios, su apoyo y comprensión para

que yo lograra terminar mi carrera profesional.

A la familia Santiago García, quienes me apoyaron durante toda la carrera en las

buenas y en las malas, ya que el apoyo moral que me brindaron me sirvió para

seguir adelante.

A mis profesores, por haberme transmitidos sus conocimientos y experiencias.

Al Ing. Juan José Arenas Baena y M. en I. Jesús García Lira, gracias por aceptar

ser mis asesores, por brindarme su apoyo incondicional y sugerencias respecto a

este trabajo.

A mis amigos de ESIME por haber estado en los buenos y malos momentos

brindándome su apoyo con el fin de superarme.

A Dios por permitirme terminar mi carrera.

ÍNDICE GENERAL

CALCULO DE ALIMENTACIÓN DE PIEZAS FUNDIDAS DE HIERRO COLADO GRIS, POR EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL I

Índice general

Índice general I

Objetivo V

Justificación VI

Introducción VII

Capítulo I Marco teórico

I.1 Fundición 1

I.2 Clasificación de los hierros colados 2

I.2.1 Hierros colados o fundiciones 2

I.2.2 Propiedades generales de los hierros colados 5

I.2.3 Hierro Blanco 6

I.2.4 Hierro maleable 9

I.2.5 Hierro gris 12

I.2.6 Hierro nodular 16

I.3 Microestructuras del hierro colado 19

I.4 Principales elementos de aleación del hierro colado 19

I.5 Propiedades y características de fundiciones grises 21

I.5.1 Influencia del grafito en las propiedades de las

fundiciones grises 21

I.5.2 Propiedades generales de las fundiciones grises 24

I.6 Defectos que se producen en la fundición gris 28

I.6.1 Porosidades 28

I.6.2 Rechupe 29

ÍNDICE GENERAL

CALCULO DE ALIMENTACIÓN DE PIEZAS FUNDIDAS DE HIERRO COLADO GRIS, POR EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL II

I.6.3 Cavidades de contracción 29

I.6.4 Sopladuras 31

I.7 Ventajas de las fundiciones grises 31

Capítulo II Métodos de fabricación

II.1 Procesos de fundición 33

II.2 Modelo y corazón 34

II.2.1 Consideraciones para un modelo 39

II.2.2 Materiales para modelos 41

II.2.3 Terminología para un modelo 42

II.2.4 Tipos de modelo 43

II.3 Arenas para fundición 44

II.3.1 Arena en verde 44

II.3.2 Propiedades de las arenas 45

II.4 Molde 49

II.4.1 Tipos y características del moldeo 50

II.4.2 Transferencia de calor en el molde 52

II.5 Hierro colado 55

II.5.1 Tipo de hierro gris utilizado 55

II.5.2 Tipo de fundición (“Sand casting”) 56

II.5.3 Modelo 57

II.5.4 Molde 58

II.5.5 Convección 59

Capítulo III Propiedades y cálculos del sistema de alimentación

III.1 Constitución de una válvula de compuerta 60

ÍNDICE GENERAL

CALCULO DE ALIMENTACIÓN DE PIEZAS FUNDIDAS DE HIERRO COLADO GRIS, POR EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL III

III.1.1 Vistas de la válvula 61

III.1.2 Vista del sistema de alimentación 62

III.2 Mecanismos de solidificación 63

III.3 Solidificación direccional 64

III.3.1 Tiempo de solidificación 65

III.3.2 Contracción de solidificación 66

III.4 Sistema de alimentación 67

III.4.1 Componentes de un sistema de alimentación 67

III.4.2 Defectos de una mala alimentación y causas 70

III.5 Calculo del sistema de alimentación 72

III.5.1 Basín 72

III.5.2 Bebedero 73

III.5.3 Pozo 75

III.5.4 Canal de alimentación 75

III.5.5 Ataques 76

III.5.6 Mazarota 77

III.6 Calculo de tiempo de solidificación del sistema 78

III6.1 Bridas de la válvula 79

III.6.1.1 Calculo del volumen de la brida macho 79

III.6.1.2 Calculo del área de las brida macho 79

III.6.1.3 Calculo de las bridas laterales 80

III.6.2 Mazarotas 82

III.6.2.1 Calculo del volumen de las mazarotas 82

III.6.2.2 Calculo del área de las mazarotas 82

III.6.3 Canal de alimentación 84

ÍNDICE GENERAL

CALCULO DE ALIMENTACIÓN DE PIEZAS FUNDIDAS DE HIERRO COLADO GRIS, POR EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL IV

III.6.3.1 Calculo del volumen del canal de alimentación 84

III.6.3.2 Calculo del área del canal de alimentación 84

Capítulo IV Análisis e interpretación de resultados

IV.1 Obtención de resultados 86

Conclusiones 103

Recomendaciones Posteriores 105

Bibliografía 106

Índice de figuras IX

Índice de tablas XII

OBJETIVO

CALCULO DE ALIMENTACIÓN DE PIEZAS FUNDIDAS DE HIERRO COLADO GRIS, POR EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL V

OBJETIVO GENERAL

Diseñar y calcular el sistema de alimentación para una válvula de hierro colado

gris, por el método de solidificación direccional, mediante la transferencia de calor

por convección, así mismo reducir posibles defectos de fundición en dicha válvula

que es usada en la industria en general.

JUSTIFICACIÓN

CALCULO DE ALIMENTACIÓN DE PIEZAS FUNDIDAS DE HIERRO COLADO GRIS, POR EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL VI

JUSTIFICACIÓN

En México la metodología actual se basa en el empirismo por lo cual no asegura la

calidad total de las piezas a fundir, es por ello que cabe la necesidad de optimizar

y mejorar el sistema actual, implementando la metodología pertinente para dicho

proceso.

Esta investigación considera los gradientes de temperatura que ocurren en el

proceso de solidificación de un metal, generando dilataciones no homogéneas en

el material que ha sido vaciado en el molde en estado líquido, las que a su vez

causan defectos por contracción, porosidades y rechupes, por tal motivo se

producen pérdidas económicas.

El módulo de elasticidad y el límite de fluencia se consideran dependientes de la

temperatura en el modelo, es decir, del ciclo térmico, en cada punto del material

colado. En consecuencia, se considera que estas propiedades mecánicas varían

en función de la velocidad y el tiempo de solidificación, originando la aparición de

defectos y deformaciones del material.

INTRODUCCION

CALCULO DE ALIMENTACIÓN DE PIEZAS FUNDIDAS DE HIERRO COLADO GRIS, POR EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL VII

INTRODUCCIÓN

En base al Método científico se diseñará y se calculara un Sistema de

Alimentación para la fundición de una válvula de hierro colado gris, con la finalidad

de reducir defectos de fundición. Para analizar esta problemática es necesario

mencionar que este estudio se hará mediante la transferencia de calor por

convección que consiste en la cantidad de calor liberado en función directa de la

superficie en contacto, dejando por un lado la transferencia de calor por

conducción y radiación, ya que se propone como una recomendación posterior a

este trabajo. Una característica principal de la fundición es su sistema de

alimentación ya que es de vital importancia que esta tenga las propiedades

adecuadas para su óptimo funcionamiento es por ello el interés de su diseño.

El proyecto se desarrolla sobre la fundición de una válvula debido a las diversas

aplicaciones que la demandan dentro de una industria petrolera, sin embargo

mediante los parámetros establecidos dentro de este estudio, se podrán tomar en

cuenta para el diseño de sistemas de alimentación de diversas piezas de

fundición.

La investigación se realizó por el interés de la alta inversión para la obtención de

dichas piezas que apenas salidas de los moldes, resultan inadecuadas para su

empleo debido a los defectos que presenta tales como: junturas, sopladuras,

rechupes, cavidades de escorias, resaltos, deformación, salpicaduras, colada

incompleta. Estos rechazos contribuyen en gran manera a mantener, en un nivel

superior, el precio medio de las piezas de fundición, cabe mencionar que en este

trabajo se omitirán los costos de producción. El estudio se realizó mediante la

consulta, principalmente de libros, relacionados en procesos de manufactura,

tecnología de la fundición y transferencia de calor.

INTRODUCCION

CALCULO DE ALIMENTACIÓN DE PIEZAS FUNDIDAS DE HIERRO COLADO GRIS, POR EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL VIII

En el capítulo I se realiza lo antecedentes históricos de un proceso de fundición

desde su definición hasta las consideraciones de cálculo y diseño de un sistema

de alimentación, así mismo los parámetros que se deben tomar para su correcta

realización.

En el capítulo II se analizan los parámetros específicos de una válvula de hierro

colado así como su sistema de alimentación, dimensionamiento.

En el capítulo III se hace referencia a la constitución de la válvula y su canal de

alimentación, se realizan los cálculos del sistema y el tiempo de solidificación.

En el capítulo IV se desarrollan las conclusiones del sistema, la importancia de su

aplicación y las recomendaciones posteriores.

CAPÍTULO I MARCO TEORICO

CALCULO DE ALIMENTACIÓN DE PIEZAS FUNDIDAS DE HIERRO COLADO GRIS, POR EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL 1

Capítulo I

MARCO TEORICO

I.1 Fundición

Se denomina fundición a un tipo de aleaciones hierro-carbono en las que el

contenido en carbono es superior al 2 %, teniendo habitualmente un valor entre el

2,5 % y 4,5 % en peso, y con la presencia de silicio, generalmente con porcentajes

entre 1% y 3%. A menudo lleva pequeños porcentajes en elemento de aleación

como el manganeso, azufre o fósforo. En algunos casos es posible encontrar

fundiciones especiales con alto contenido en elementos de aleación, como son el

níquel, cromo o manganeso, para mejorar las propiedades mecánicas o producir

estructuras martensítica.

La aplicación de las fundiciones siempre es para la fabricación de piezas por

moldeo, en moldes de arena o metálicos. Aunque las piezas se pueden colar

directamente desde los altos hornos, obteniéndose arrabio, en la mayoría de las

ocasiones se utilizan fundiciones de segunda fusión, preparada para controlar la

composición. Esta fundición de segunda fusión se puede preparar en:

1) Hornos eléctricos, para fundiciones de calidad

2) Hornos de reverbero, para fundiciones de piezas grandes

3) Cubilotes, hornos donde se obtienen la mayor parte de las fundiciones.

Las fundiciones se caracterizan por que la mayoría de ellas presentan grafito en

su estructura. Esto es debido a que la cementita (Fe3C), que es un compuesto

meta estable, en presencia de un elemento formador de grafito (grafitizador), como

el silicio, y a velocidades de enfriamiento y solidificación lentas se disocia en sus

dos componentes estables, ferrita y grafito.



Los hierros colados, como los aceros, son básicamente aleaciones de hierro y

carbono. En relación con el diagrama de fases hierro-carburo de hierro, los hierros

fundidos contienen más cantidad de carbono que la necesaria para saturar

austenita a la temperatura eutéctica; por tanto, contienen entre 2 a 6.67% de

carbono. Con su alto contenido de carbono tiende a hacerse muy frágil, la mayoría

de los tipos de hierros manufacturados tienen un intervalo de 2.5 a 4% de

carbono.

La ductilidad del hierro colado es muy baja y éste no puede laminarse, estirarse o

trabajarse a temperatura ambiente. La mayoría de los hierros no son maleables a

cualquier temperatura, sin embargo, a veces funden fácilmente o pueden fundirse

en formas complicadas que generalmente se maquinan a dimensiones finales.

Aunque los hierros colados comunes son frágiles y tienen más bajas propiedades

de resistencia que la mayoría de los aceros, son baratos, pueden fundirse más

fácilmente que el acero y tienen otras propiedades útiles. Además, mediante una

aleación apropiada, buen control de la fundición y un tratamiento térmico

adecuado, las propiedades de cualquier tipo de hierro pueden variar ampliamente.

I.2 CLASIFICACION DE LOS HIERROS COLADOS

I.2.1 HIERROS COLADOS O FUNDICIONES

Los hierros colados o fundiciones los podemos obtener en hornos eléctricos, hornos

de cubilote, partiendo del arrabio (sólido) obtenido en un alto horno, chatarra sólida

de acero, ferroaleaciones (FeSi, FeMn, etc.), retorno de piezas y coladas.

Los hierros colados, como los aceros, son aleaciones de hierro y carbono y silicio,

manganeso, fósforo, azufre, etc. y su contenido de carbono es de 2 a 4.5 %,

adquiriendo su forma definitiva directamente por colada, no siendo nunca los hierros



sometidos a procesos de formación plástica ni en frío ni en caliente. En general no

son dúctiles ni maleables y no pueden forjarse ni laminarse. A continuación se

clasificaran la fundiciones de dos formas diferentes: primero de acuerdo a su

fractura y luego, por su microestructura.

Por su fractura.

El criterio es el aspecto de las fracturas que presentan al romperse los lingotes de

hierro, obtenidos en el horno alto colados en arena. Por el aspecto que tienen

después de rotas las piezas fundidas, se clasifican en: fundición gris, blanca y

atruchada. La fundición gris contiene, en general mucho silicio, 1 a 3,8 %; la

blanca poco silicio, generalmente menos del 1 %, y la atruchada tiene,

comúnmente, un contenido de silicio intermedio, variable de 0,6 a 1,5 %. El color

oscuro que tienen las estructuras de las fundiciones grises y atruchadas, se debe

a la presencia en las mismas de gran cantidad de láminas de grafito.

El contenido en silicio de las aleaciones hierro - carbono y la velocidad de

enfriamiento, tienen gran influencia en la formación de una u otra clase de

fundición. Las velocidades de enfriamiento muy lentas favorecen la formación de

fundición gris; el enfriamiento rápido tiende en cambio, a producir fundición blanca.

Finalmente, el azufre y el manganeso ejercen también una cierta influencia

contraria a la del silicio, y favorecen la formación de fundición blanca. Sin

embargo, el manganeso y el azufre, cuando se encuentran formando inclusiones

no metálicas de sulfuro de manganeso, no ejercen influencia favorable ni

desfavorable en la formación de grafito, ni en la aparición de fundiciones grises o

blancas. Además de estos tres tipos de fundición, se fabrican también desde hace

muchos años (1722 aproximadamente) las fundiciones maleables. Éstas, en lugar

de obtenerse por simple fusión, como las que acabamos de citar, se obtienen la

fundición maleable, en la que el grafito tiene forma nodular.

En la actualidad existen también, como ya hemos dicho antes, además de estas

cuatro clases, algunos otros tipos como las fundiciones aleadas o especiales.



Éstas se han comenzado a fabricar recientemente y complican algo el estudio

clásico de las cuatro clases que acabamos de citar.

Por su microestructura.

Las fundiciones que se obtienen en los hornos altos y en los cubilotes se pueden

clasificar de acuerdo con la microestructura en tres grandes grupos:

1° Fundiciones en las que todo el carbono se encuentra combinado, formando

cementita y que al romperse presentan fracturas de fundición blanca.

2° Fundiciones en las que todo el carbono se encuentra en estado libre, formando

grafito. Las cuales son llamadas fundiciones ferríticas.

3° Fundiciones en las que parte del carbono se encuentra combinado formando

cementita y parte libre en forma de grafito. A este grupo, que es el más

importante de todos, pertenecen la mayoría de las fundiciones que se fabrican

y utilizan normalmente, como son las fundiciones grises atruchadas, perlíticas,

etc.

Es interesante señalar que en la práctica es muy difícil encontrar fundiciones en

las que todo el carbono aparezca en forma de grafito, como se acaba de indicar,

para las fundiciones del segundo grupo. Sin embargo, se cita esta clase de

fundición que casi puede considerarse como teórica, porque creemos que

señalándolas se facilita el estudio de todas las demás clases. Las fundiciones de

este grupo reciben el nombre de fundiciones grises ferríticas, y en ellas todo el

carbono se encuentra en forma de grafito.

Con un criterio amplio, también se podría incluir en este segundo grupo, aunque

no encajen exactamente en él, las fundiciones maleables, cuya matriz es de ferrita

y en las que el grafito se presenta en forma de nódulos.



I.2.2 PROPIEDADES GENERALES DE LOS HIERROS COLADOS

El empleo de los hierros colados en piezas para sus usos muy diversos, ofrecen las

siguientes ventajas:

1. La piezas de hierro colado son en general más baratas que las de acero (es el

material que más se utiliza en los talleres y fábricas de maquinaria, motores, etc.)

y su fabricación es también más sencilla por emplearse instalaciones menos

costosas y realizarse la fusión a temperaturas relativamente poco elevadas y más

bajas que las que corresponden al acero.

2. Los hierros colados son en general mucho más fáciles de mecanizar que los

aceros.

3. Se pueden fabricar con relativa facilidad piezas de grandes dimensiones y también

piezas pequeñas y complicadas, que se pueden obtener con gran precisión de

formas y medidas, siendo además en ellas mucho menos frecuente la aparición

de zonas porosas que en las piezas fabricadas con acero.

4. Para numerosos elementos de motores, maquinaria, etc., son suficientes las

características mecánicas que poseen los hierros. Su resistencia a la compresión

es muy elevada (50 a 100 kg/mm2) y su resistencia a la tensión (puede variar de

12 a 90 kg/mm2) es también aceptable para muchas aplicaciones. Tienen buena

resistencia al desgaste y absorben muy bien (mucho mejor que el acero), las

vibraciones de máquinas, motores, etc., a que a veces están sometidas.

5. Su fabricación exige menos precauciones que la del acero y, sin necesidad de

conocimientos técnicos muy especiales, se llegan a obtener hierros con

características muy aceptables para numerosas aplicaciones.

6. Como las temperaturas de fusión de los hierros son, como se ha dicho antes,

bastante bajas, se pueden sobrepasar con bastante facilidad, por lo que en

general suele ser bastante fácil conseguir que los hierros en estado líquido tengan

fluidez, y con ello se facilita la fabricación de piezas de poco espesor. En la



solidificación presentan menos contracción que los aceros y además su

fabricación no exige como la de los aceros, el empleo de refractarios

relativamente especiales de precio elevado.

El mejor método para clasificar el hierro es de acuerdo con su estructura

metalográfica. Las variables a considerar que dan lugar a los diferentes tipos de

hierro son: El contenido de carbono, el contenido de aleación y de impurezas, la

rapidez de enfriamiento durante o después de la solidificación y el tratamiento

térmico después de fundirse. Estas variables controlan la condición del carbono y

también su forma física. El carbono puede estar combinado en forma de carburo de

hierro en la cementita, o existir como carbono sin combinar (o libre) en forma de

grafito. La forma y distribución de las partículas de carbono sin combinar influirá

grandemente en las propiedades físicas del hierro.

I.2.3 HIERRO BLANCO

Es aquel en la cual el carbono se encuentra combinado con el hierro, formando el

carburo de hierro (Fe3C), llamado cementita, siendo esta cementita muy dura pero

muy frágil.

Tabla I.1 Composición del hierro

Composición química

Carbono 1.80 a 3.20%

Silicio 0.50 a 1.90%



Manganeso 0.25 a 0.80%

Azufre 0.06% máx.

Fósforo 0.06% máx.

La fundición blanca o hierro, como consecuencia de la presencia de cementita,

posee alta dureza, es frágil y prácticamente no se somete a la elaboración por corte.

Por eso, este hierro tiene una aplicación muy limitada. Cuando la superficie se

fractura tiene una apariencia blanca cristalina que da su nombre a la fundición.

Debido a la cementita, la fundición blanca es dura y frágil, y su resistencia al

desgaste es excelente. Su resistencia mecánica, se observa en la tabla 1.2. Estas

propiedades de la fundición blanca la hacen adaptable para aplicaciones donde se

requiere resistencia al desgaste. Las zapatas para freno de ferrocarril son un

ejemplo clásico.

Tabla I.2 Características del hierro blanco

TIPO

Fe

(%)

C

(%)

Si

(%)

Mn

(%)

OTROS

(%)

RESISTENCIA A LA

TENSIÓN

Lb/pulg2

(MPa)

Elongación

(%)

Fundición Blanca

Bajo - C

92.5

2.5

1.3

0.4

1.5 Ni,

1.0 Cr

0.5 Mo

40,000

(272)

0



Su microestructura característica del hierro blanco se observa en la Figura 1.1.

Figura I.1. Microestructura de un hierro blanco fundido, (a) Las áreas oscuras son

dendritas primarias de austenita transformada (perlita) en una red blanca

interdendrita de cementita, 200X. (b) La misma muestra a 250X, que muestra

perlita (oscura) y cementita (blanca). Atacada químicamente en Nital al 2%.



I.2.4 HIERRO MALEABLE

Es aquel en la cual se obtiene a partir de un hierro blanco por medio de un

tratamiento térmico (recocido), obteniéndose una estructura de nódulo irregular.

La presencia del carburo de hierro (cementita) es realmente una fase meta estable.

Hay una tendencia a que la cementita se descomponga el hierro y carbono, pero en

condiciones normales tiende a persistir indefinidamente en su forma original. Hasta

este punto, la cementita se ha tratado como una fase estable; sin embargo, esta

tendencia a formar carbono sin combinar es la base para manufacturar hierro

maleable. Los hierros blancos adecuados para la conversión a hierro maleable

pueden ser como sigue:

Tabla I.3 hierros blancos

Fundición Blanca Europea Fundición Blanca Americana

carbono 2.50 a 3.0% carbono 2.0 a 2.75%

silicio 0.50 a 1.25% silicio 0.50 a 1.20%

manganeso 0.40 a 0.60% manganeso 0.40 a 0.60%

azufre 0.06% máx. azufre 0.06% máx.

fosforo 0.06% máx. fosforo 0.06% máx.

Los productos típicos hechos con fundición maleable incluyen accesorios para

tubería y bridas, algunos componentes para máquinas y partes de equipo

ferroviario, tabla 1.4, y su microestructura se observa en la Figura 1.2.



Tabla I.4 Características del hierro maleable

TIPO

Fe

(%)

C

(%)

Si

(%)

Mn

(%)

RESISTENCIA A LA

TENSIÓN

Lb/pulg2

(MPa)

Elongación

(%)

Fundición maleable

Ferrítica

Perlítica

95.3

95.1

2.6

2.4

1.4

1.4

0.4

0.8

50,000

(345)

60,000

(414)

10

10



Figura I.2. a) Hierro maleable, sin estar atacado químicamente. Los nódulos

irregulares de grafito se llaman carbono revenido, 100X. b) Hierro ferrítico

maleable, carbón revenido (negro) en una matriz ferrifica. Atacado químicamente

en Nital al 5%, 100X.



I.2.5 HIERRO GRIS

El hierro gris representa el mayor tonelaje entre los hierros, tiene una composición

que varía entre 2.5 a 4.0% de carbono y de 1.0 a 3.0% de silicio. Las reacciones

químicas internas derivan en la formación de hojuelas de grafito (carbono)

distribuidas a todo lo largo del producto fundido en la solidificación. Esta estructura

es la causa de que la superficie del metal tenga un color gris cuando se fractura;

de aquí el nombre de hierro gris o fundición gris. La dispersión de las hojuelas de

grafito representa dos propiedades atractivas:

1). Buena amortiguación a la vibración, que es una característica deseable en

motores y otras máquinas.

2). Cualidades de lubricación internas, que hacen maquinable la fundición.

La mayoría de estos hierros grises son aleaciones hipo eutécticas que contienen

aproximadamente la siguiente composición:

Tabla I.5 Composición del hierro gris

Composición del hierro gris




Azufre 0.06% max

Fósforo 0.06% max



La resistencia de la fundición gris abarca un rango significativo. La American

Society for Testing Materials (ASTM) utiliza un método de clasificación para la

fundición gris, que pretende suministrar las especificaciones mínimas de la

resistencia a la tensión, Tabla I.6:

Tabla I.6 Características del hierro gris

TIPO

Fe

(%)

C

(%)

Si

(%)

Mn

(%)

OTROS

(%)

RESISTENCIA A LA

TENSIÓN

Lb/pulg2

(MPa)

Elongación

(%)

Fundición gris

Clase 20

Clase 30

Clase 40

Clase 50

93.0

93.6

93.8

93.5

3.5

3.2

3.1

3.0

2.5

2.1

1.9

1.6

0.65

0.75

0.85

1.0

0.67 Mo

20,000 (138)

30,000 (207)

40,000 (276)

50,000 (345)

0.6

0.6

0.6

0.6

La resistencia a la compresión de la fundición gris es significativamente mayor que

su resistencia a la tensión. Las propiedades de las fundiciones se pueden

controlar de alguna forma por tratamiento térmico. La ductilidad de la fundición gris

incluye monoblocks y cabezas para motores de automóviles, caracteres y bases

de máquinas herramientas, la Figura I.3. Se muestra su microestructura.



Figura I.3. Microestructura del hierro gris, el grafito en forma de agujas, 200X,

Nital al 5%

El proceso de grafitización y la microestructura de la fundición, se puede determinar

por dos factores fundamentales:



1. La velocidad de enfriamiento de la fundición.

2. Composición química (sobre todo el silicio).

En dependencia de la microestructura de la base metálica se diferencian los

siguientes tipos de hierros grises:

a). HIERRO GRIS PERLITICA

Cuya estructura está compuesta de perlita y grafito laminar. En este hierro el

contenido de carbono es de 0.7 a 0.8% y se encuentra en forma de carburo de hierro

(Fe3C), que entra en la composición de la perlita.

b). HIERRO GRIS FERRITO-PERLITICA

Su estructura está formada por perlita, ferrita y grafito laminar. Este hierro ferrito-

perlita, en dependencia del grado de descomposición de la cementita eutectoide en

estado enlazado contiene entre 0.7 a 0.1% de carbono.

c). HIERRO GRIS FERRITICA

Su estructura está compuesta de ferrita y grafito laminar. En este caso todo el

carbono se encuentra en forma de grafito.

Las propiedades de los hierros grises se determinan por la estructura de la base

metálica, las dimensiones, la forma y la distribución de las inclusiones gráficas.

La influencia de las inclusiones graficas se pueden valorar solamente en forma

cualitativamente, cuanto mayor es la cantidad de estas inclusiones, tanto más

grandes son y menos regulares están distribuidas por el volumen, tanto menor es la

resistencia del hierro para una misma fase metálica.



I.2.6 HIERRO NODULAR

Este hierro también se le conoce como hierro dúctil, y es un hierro en la cual todo el

carbono se le encuentra en forma de nódulos redondos o pequeñas bolas o

esferoides. Cuya composición química es la siguiente:

Tabla I.7 Composición del hierro nodular

Composición del hierro nodular




Azufre 0.02% máx.

Fósforo 0.02% máx.

Este hierro es de alta resistencia y se obtiene con adiciones en la fundición líquida,

vertida a la cuchara de pequeñas cantidades de ciertos metales alcalinos o alcalinos-

térreos. Generalmente para esto se usa un 0.03 a 0.07% de magnesio. Bajo la

solidificación del magnesio el grafito en el proceso de cristalización toma forma

globular en vez de laminar. La tabla I.8, se indican sus propiedades.



Tabla I.8 Características mecánicas del hierro nodular

TIPO

Fe

(%)

C

(%)

Si

(%)

Mn

(%)

OTROS

(%)

RESISTENCIA A LA

TENSIÓN

Lb/pulg2

(MPa)

Elonga-

ción

Fundición nodular (dúctil)

ASTM A39

A476

94.4

93.8

3.0

3.0

2.5

3.0

60,000 (414)

80,000 (552)

18

3

Además en la Figura I.4, se muestra su microestructura de este hierro nodular



Figura I.4. Micrografía de un hierro nodular las partes negras indican los nódulos

de grafito, 200X



I. 3 MICROESTRUCTURAS DEL HIERRO COLADO

Los hierros fundidos pueden presentar las siguientes estructuras:

1. Cementita primaria y perlita solamente. Este tipo de estructuras es típico de los

hierros duros, blancos, de bajo silicio y alto azufre y se encuentra también en otros

tipos de hierros que han sido enfriados bruscamente.

2. Cementita primaria, grafito y perlita. Los hierros nodulares, en los cuales parte

de la cementita primaria se ha descompuesto, formando grafito.

3. Grafito y perlita. Esta estructura es típica de un hierro de servicio pesado, en el

cual toda la cementita primaria se ha transformado en grafito.

4. Grafito, perlita y ferrita. Típica en un hierro gris, originando que este sea más

débil y blanda.

5. Grafito y ferrita. Aquí, toda la cementita ferrítica, así como la cementita se ha

disociado en grafito. Esto se debe generalmente a un gran contenido de silicio.

Este hierro vaciado será muy blando y fácil de maquinar. La ferrita presente

contendrá silicio y manganeso disueltos.

I.4 PRINCIPALES ELEMENTOS DE ALEACIÓN DEL HIERRO COLADO

Molibdeno

Mejora las propiedades mecánicas y es un leve estabilizador de carburos. El

molibdeno se añade en cantidades de 0.25% a 1.25%, y su efecto es similar al del

acero. La resistencia a la fatiga, la resistencia a la tensión, la resistencia transversal,

la resistencia al calor y la dureza del hierro se mejoran. El molibdeno también retarda



la transformación de la austenita, incrementando así la templabilidad y la libertad de

la presencia de fisuras y deformación.

Cromo

Combinado, formando complejos carburos de hierro-cromo más estables que el

carburo de hierro. Pequeñas cantidades de cromo incrementan la resistencia, la

dureza, la profundidad de la capa del hierro blanco y la resistencia al desgaste y al

calor, pero disminuye la maquinabilidad.

Manganeso

La adición del manganeso disminuye la profundidad de la capa del hierro blanco

hasta que el azufre ha sido neutralizado mediante la formación de sulfuro de

manganeso. Por encima de esta cantidad, el manganeso incrementa la profundidad

del enfriado rápido y de la dureza. Afina el grano, aumenta la maquinabilidad, su

resistencia mecánica y su resistencia a la corrosión de álcalis.

Silicio

Baja su punto de fusión, afina el grano, aumenta su resistencia mecánica, a la

corrosión, el calor, su plasticidad y proporción de carbono en estado libre. El silicio

desempeña distintos propósitos, tales como: Parte del silicio es agregado durante la

carga en el horno, actuando como desoxidante, pero lo más importante del silicio es

que hace una gran reacción del grafito, para limitar las posibilidades de

endurecimiento y cristalización de las superficies del hierro chilled (enfriado y

templado superficialmente).

Cobre

Es un gratificador, pero sólo es una quinta parte más eficaz que el silicio a este

respecto. Para aplicaciones generales en ingeniería, el contenido de cobre es de

0.25% a 2.5%. El cobre tiende a romper la cementita maciza y a hacer resistente la



matriz. Ayuda un poco a resistir el ataque del ácido sulfúrico pero para soldarse es

indeseable porque a la contracción provoca grietas, fisuras o roturas.

Fósforo

Disminuye la profundidad de la capa de hierro blanco. Con carbono y silicio

constante, un incremento de 0.1% de fósforo disminuirá la profundidad de la capa de

hierro blanco en aproximadamente 0.1 pulgadas.

Vanadio

Es un formador de carburo muy potente, estabiliza la cementita y reduce la

grafitización. Las adiciones de vanadio, entre 0.10% a 0.25%, incrementan la

resistencia a la tensión, la resistencia transversal y la dureza.

Níquel

Es un gratificador, pero sólo como la mitad de efectivo que el silicio a este respecto.

El propósito del níquel (0.5% a 6.0%) en los hierros grises es controlar la estructura

retardando la transformación de la austenita, estabilizando la perlita y manteniendo

el carbono combinado en la cantidad eutectoide. Así, la microestructura de un hierro

fundido bajo níquel muestra grafito, perlita y muy poca ferrita.

I.5 Propiedades y características de fundiciones grises

I.5.1 Influencia del grafito en las propiedades de la fundición gris

La estructura de hierro gris consiste de una matriz metálica y grafito, las

propiedades serán determinadas por las propiedades de la matriz y de la cantidad

y tipo de inclusiones de grafito. El hierro gris tiene propiedades inferiores a las del

acero, las inclusiones de grafito se consideran, en primera aproximación, como



huecos o grietas. Por consiguiente, el hierro gris puede ser considerado como un

acero infectado, con numerosas grietas o huecos. Las propiedades del hierro son

más bajas a mayor volumen de grafito, por contribuir a un mayor número de

grietas o huecos.

Para un volumen igual de grafito, las propiedades del hierro son determinadas por

la forma, distribución y tamaño de las partículas. Consecuentemente las

propiedades del hierro serán menores a contenidos más altos de grafito y a mayor

grosor de estas inclusiones, más desintegran la matriz metálica. Propiedades

mecánicas deficientes se derivan de hierros en las cuales las partículas de grafito

forman una red o cadena cerrada (grafito tipo E, D).

Las partículas de grafito laminar se consideran como grietas o cortes

pronunciados en la matriz. Por ello, ante un esfuerzo de tracción, las partes

extremas de la lámina de grafito actuarán como concentradores de esfuerzos que

fomentan la falla o quiebre. Ante esta consideración, las propiedades mecánicas

del hierro se caracterizan por una baja resistencia debido a la propagación de la

grieta. El grafito tipo A es el que da mejores características.

El tipo B, disminuye la resistencia mecánica. El tipo C da resistencia al choque

térmico, pero débil resistencia a la tracción. El tipo D es desfavorable porque la

matriz en contacto con este se ferritiza fácilmente y da poca resistencia al

desgaste.

En los casos en que el esfuerzo de tensión es mínimo (por ejemplo en el caso de

compresión), las propiedades del hierro resultan ser elevadas y muy próximas a

las propiedades de un acero de la misma composición y estructura de la matriz del

hierro. La resistencia a la compresión es tres a cuatro veces superior a la tracción.

Esto es porque la resistencia a la compresión última y dureza del hierro dependen

significativamente de la estructura de la matriz metálica y sus diferencias son

mínimas respecto a las del acero.



Las propiedades de resistencia a la rotura, la resistencia a la flexión y a la torsión,

están determinadas significativamente por el contenido forma y tamaño de las

partículas de grafito y difieren apreciablemente de las propiedades del acero. Por

ejemplo, un hierro hipoeutéctico tiene mayor resistencia a la tracción que un hierro

híper eutéctico.

Los efectos de las inclusiones de grafito disminuyen con la variación de la forma,

desde laminar a esferoidal, reduciéndose bruscas concentraciones de esfuerzos y

la formación de grietas en la matriz va desapareciendo. Las fundiciones de grafito

esferoidal tienen una resistencia a la tracción y a la flexión más alta que una

fundición de grafito laminar. Los valores intermedios de resistencia se presentan

en la fundición maleable.

La ductilidad de las fundiciones se puede caracterizar por los siguientes valores de

alargamiento relativo en porcentaje, tabla I.9:

Tabla I.9 Tipos de grafitos

TIPO LAMINAR VERNICULAR ESFEROIDAL

% 0.20-0.50 5.0-10.0 10.0-15.0

Una fundición esferoidal tiene mayor resiliencia, ductilidad y alargamiento que las

fundiciones laminares. La ductilidad depende de la estructura de la matriz, los más

bajos valores son típicos de las fundiciones perlíticas y los más altos de las

ferríticas. La dureza Brinell determinada por la matriz puede observar la tabla I.10

Tabla I.10 Tipos de microestructuras de la fundición gris

FUNDICIÓN FERRÍTICA FERRITO-

PERLÍTICA

PERLITA

HB 130 180 220



I.5.2 Propiedades generales de las fundiciones grises

Tal vez convenga subrayar, a modo de introducción a las propiedades, que las

fundiciones grises son un material compuesto de grafito, y de otro material matriz.

Este material a su vez, frecuentemente está compuesto por un intermetálico

"cerámico" - la cementita -, y otro material - la ferrita - que es metálico.

Las fundiciones son aleaciones férreas que requieren para su elaboración

menos energía que los aceros, porque con similar capacidad calorífica su

temperatura de fusión es menor. Presentan, además, excelentes

características de colabilidad y dan poco rechupe.

Su colabilidad es mejor cuanto mayor es su contenido de carbono, por ser

pequeño el intervalo de temperaturas entre líquidos y sólidos. Algunas de

ellas, las de composición eutéctica, solidifican a temperatura constante.

Las fundiciones grises dan poco rechupe, 1 % de contracción lineal

aproximadamente, inferior al de los aceros y fundiciones blancas, como puede

verse en la tabla I.9. La pequeña contracción al solidificar se debe a que su

densidad (entre 6,95 y 7,35 g/cm3, menor cuanto más carbono) es inferior a la

de las fundiciones blancas (7,7 g/cm3) y a la de los aceros (densidad del

hierro 7,97 g/cm3).

TablaI.11 Contracción durante la solidificación (ASM)

TIPO DE FUNDICIÓN % CONTRACCIÓN

Fundición dúctil 0.0 – 0.7

Fundición gris 1.0

Fundición maleable 1.0

Fundición austenítica 1.3 – 1.5



Fundición blanca 2.0

Acero al carbono 2.0

Acero aleado 2.5

Esta menor densidad de las fundiciones grises se justifica por la presencia del

grafito cuya densidad es 2,2 g/cm3. En las fundiciones grises el grafito suele

ocupar un volumen (o un área de los campos observados al microscopio) entre 6 y

10 % del volumen total.

La característica radical de las fundiciones grises es que no presentan

ledeburita. En su estructura micrográfica aparece grafito que puede ser de

diversos tipos, disperso en una matriz similar a un acero. El comportamiento

mecánico de una fundición gris resulta parecido al de un acero con numerosas

microfisuras taponada por grafito. La cohesión entre el grafito y la matriz

metálica en casi nula. Debido a la gran diferencia entre los coeficientes de

dilatación del hierro y del grafito, éste se despega fácilmente de la matriz.

Aquel modelo (el mencionado en el párrafo anterior) explica varias

propiedades de estas fundiciones: el color gris que presentan las fracturas, la

capacidad para amortiguar vibraciones, mayor cuanto más grafito. Además de

su maquinabilidad, generalmente buena, las moderadas resistencias a

tracción y bajos alargamientos, la dispersión habitual en valores de

microdureza, etc.

La conductividad térmica de las fundiciones grises es aproximadamente 46

w/m.K; superior a la de los aceros. En ello influye el grafito, buen conductor.

La capacidad para disipar calor es, por tanto, mayor en las fundiciones grises -

mayor cuanto más cantidad de grafito, y mejor si el grafito es laminar que



esferoidal - que en los aceros. Para aprovechar esta propiedad, las lingoteras

para acero líquido se fabrican de fundición gris hipereutéctica.

La resistencia de las fundiciones grises al choque térmico resulta, también,

mejor para contenidos altos en carbono.

El coeficiente de dilatación de las fundiciones grises es, aproximadamente, de

13 μm/m. entre 0 °C y 500 °C, y de 10,5 μm/m en el rango de 0 °C y 100 °C.

Aunque parecido al del hierro, resulta algo menor que este (11 μm/m para el

Fe alfa y 18 μm/m para el Fe gamma).

La tenacidad de las fundiciones grises, es mayor que las de las fundiciones

blancas; pero, por el efecto de entalla debido al grafito laminar, resulta

insuficiente. Por ello, cuando se requiere un material tenaz no debe utilizarse

fundición blanca, ni tampoco fundición gris laminar.

Las medidas de dureza son interesantes para predeterminar la resistencia al

desgaste de una fundición gris. Además, proporcionan un primer criterio sobre

su comportamiento al mecanizado o maquinabilidad. A diferencia de los

aceros, las fundiciones no tienen una proporcionalidad directa entre dureza y

resistencia a la tracción.

La resistencia a tracción, R, depende del tipo de grafito, de su cantidad, y de la

estructura matriz. Puede señalarse, con carácter general, que la resistencia a

tracción disminuye al aumentar el contenido en carbono de las fundiciones. El

grafito disminuye la sección real del constituyente matriz, que es quien

aguanta el esfuerzo de tracción, y por otra parte el efecto de entalla del grafito

laminar, disminuye la tenacidad.

Una misma fundición gris perlítica puede presentar distintos valores de R

según sea el tamaño de la pieza. Así, para un mismo contenido de carbono, lo

cual determina la cantidad de grafito en la fundición solidificada establemente,

un aumento del módulo de masividad (volumen / área) equivale a disminuir la



velocidad de solidificación. Por ello las rosetas eutécticas serán más grandes,

el grafito A resultará más grueso y de mayor longitud, la perlita matriz tendrá

mayor espaciado interlaminar, y resultará más blanda y menos resistente.

La resistencia a compresión de las fundiciones grises es alta: 3 o 4 veces

superior a la resistencia a la tracción. Ello se debe a que, en compresión,

apenas influye el efecto de entalla del grafito y, por tanto, la contribución

negativa de este se reduce simplemente a disminuir la sección eficaz del

constituyente matriz.

Gracias a la buena colabilidad de las fundiciones grises es posible moldear

piezas de paredes delgadas, tales como tubos con aletas para radiadores,

rodetes para bombas, anillos para columnas, calderas, compresores, etc.

Las fundiciones grises ordinarias presentan buena resistencia a la corrosión,

superior a la de los aceros. Los productos de corrosión quedan apresados por

el esqueleto de grafito y dificultan el deterioro de zonas más profundas.

En general, las fundiciones grises resultan fácilmente mecanizables, aunque

ocasionalmente, pueden presentar dificultades de mecanizado derivadas de

defectos externos tales como arena adherida a superficie, o bien por factores

ligados al diseño o a la práctica del moldeo.

En cuanto a resistencia al desgaste el comportamiento de las fundiciones,

tanto blancas como grises, es excelente.



I.6 Defectos que se producen en la fundición gris.

Las discontinuidades en la matriz de las fundiciones grises disminuyen las

propiedades de las piezas fundidas debido a que reducen la sección útil de las

piezas moldeadas y disminuyen su resistencia.

Es necesaria por eso una identificación cuidadosa previa de éstos, de manera que

puedan ser eliminadas o minimizados. El lugar, la forma y el tamaño de un defecto

proveen valiosos indicios acerca de su origen. A continuación se estudian los

defectos comunes encontrados en las fundiciones grises.

I.6.1 Porosidades

Se refiere a aquellos defectos que se encuentran debajo de la superficie superior

del fundido y en el centro del molde. Estos defectos pueden ser de forma esférica

o irregular.

Muchos de estos huecos contienen escoria, y algunas cavidades contienen metal

segregado. El metal frío, resultante de una temperatura de vaciado baja, es la

causa principal de estas porosidades. Esto explica por qué el fundido último,

vaciado de una cuchara, es el que más posibilidades tiene de resultar defectuoso.

La combinación de excesivos niveles de azufre y manganeso producen también

piezas con defectos de este tipo. Por tanto, para evitar este tipo de defectos se

deben evitar altos contenidos de azufre y de manganeso, y, asimismo, bajas

temperaturas de vaciado.

La formación de las porosidades se debe a que cuando la temperatura del metal

fundido cae, se forman sulfuros de manganeso y se separan del metal fundido.

Estos flotan sobre la superficie donde se mezclan con la escoria de la cuchara

(silicatos de hierro y de manganeso), creando una escoria de muy alta fluidez.



Esta escoria entra en las cavidades del molde, reacciona con el grafito precipitado

durante la reacción eutéctica, y resulta en la evolución de monóxido de carbono y

la formación de las porosidades. Temperaturas apropiadas del metal, niveles

balanceados de azufre y manganeso, cucharas limpias, y una buena práctica de

quitar la capa de escoria de la superficie minimizan estas porosidades.

I.6.2 Rechupe

La densidad de un metal líquido es generalmente inferior a la densidad de ese

mismo metal solidificado. El metal se contrae en estado líquido desde la

temperatura de colada (contracción líquida), también se contrae durante el cambio

de estado líquido - sólido. A la suma de la contracción líquida y de la contracción

por solidificación, se le denomina rechupe. Cuanta más alta sea la temperatura en

el momento de colar, más acentuada será la diferencia entre el volumen específico

del líquido y el del sólido y, por tanto, mayor será el rechupe.

El rechupe así definido comprende tanto la contracción macroscópica, o

macrorrechupe, como la contracción microscópica o microrrechupe.

Frecuentemente aparece en los espacios interdendríticos rellenos por líquido no

conectado con el resto del metal líquido, cuando las dendritas están muy

desarrolladas. Al solidificar - y contraerse, por tanto – estas pequeñas porciones

líquidas, no conectadas, forman porosidades internas: esto es el microrrechupe.

I.6.3 Cavidades de contracción.

Pueden aparecer o bien aisladas o interconectadas, como vacíos de forma

irregular.



Secciones gruesas y zonas calientes, tales como áreas adyacentes a

alimentadores o regiones que experimentan cambios en el tamaño de la sección,

son más susceptibles a este tipo de defectos.

Los factores que promueven la formación de cavidades de contracción incluyen:

falta de rigidez del molde, inadecuada composición del metal, temperatura de

vaciado incorrecta, y un alto grado de nucleación. Estos factores pueden actuar

independientemente o combinados.

Casi todos los líquidos se contraen durante el enfriamiento y solidificación. En las

fundiciones grises, sin embargo, ocurre expansión durante la formación del

eutéctico austenita-grafito. Esta expansión aumenta si la aleación está altamente

nucleada, un estado que es producido por inoculación. Moldes, particularmente de

arena verde que no tienen suficiente dureza son incapaces de contener esta

expansión. Esto conduce a un incremento de la capacidad. Se forman entonces

cavidades de contracción si el metal suplementario no es suficiente para

acomodarse a este incremento.

La composición de la aleación puede tener un efecto pronunciado sobre las

cavidades de contracción. Niveles de fósforo tan pequeños como 0,02 % pueden

causar la formación de finas porosidades en los bordes de las células eutécticas y

en las regiones calientes.

Temperaturas excesivas de vaciado pueden también incrementar la contracción

del metal cuando se enfría a temperaturas de solidificación que favorecen la

formación de cavidades de contracción. Además debido a que moldes de arena

verde no son dimensionalmente estables bajo el calor, las temperaturas más altas

incrementan los cambios del movimiento de las paredes del molde. Existe un

compromiso entre temperaturas de vaciado muy altas y muy bajas. Si la

temperatura de vaciado usada es muy baja se pueden producir porosidades. Por

tanto, la experiencia es el mejor camino para determinar la temperatura óptima de

vaciado.



I.6.4 Sopladuras

En estado fundido los metales suelen retener gran volumen de gases en

disolución o en forma de compuestos líquidos inestables. Así por ejemplo, el hierro

líquido disuelve monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrógeno, nitrógeno,

vapor de agua, oxígeno, etc. Cuando la temperatura del fundido desciende hasta

el umbral de la solidificación, se produce una rápida disminución de la solubilidad y

los gases se desprenden del metal líquido. Su desprendimiento prosigue a lo largo

de todo el proceso de solidificación.

Cuando el desprendimiento de gases se opera en un metal casi totalmente

solidificado, que no permite su salida, los gases quedan retenidos: parte en las

porosidades interdendríticas, y parte en el interior de las cavidades de la masa

metálica aún plástica.

Estas cavidades reciben el nombre de sopladuras y pueden ser periféricas o

internas. El aire que llenaba el molde y queda retenido durante la colada puede

dar origen también a cavidades, en la masa metálica. Los gases ocluidos en las

piezas moldeadas pueden deberse también a la acción del metal líquido sobre el

agua que humedece los moldes: el rápido desprendimiento del vapor de agua del

molde origina poros superficiales denominados picaduras.

I.7 Ventajas de las fundiciones grises

El empleo de la fundición gris para la fabricación de piezas para usos muy

diversos, ofrece, entre otras, las siguientes ventajas:

1) Las piezas de fundiciones grises son, en general más baratas que las de

acero (que es el material que más se utiliza en los talleres y fábricas de

maquinaria, motores, instalaciones, etc.). Su fabricación es también más



sencilla por emplearse instalaciones menos costosas y realizarse la fusión a

temperaturas relativamente poco elevadas y más bajas que aquellas

correspondientes al acero.

2) Las fundiciones son, en general, mucho más fáciles de mecanizar que los

aceros.

3) Se pueden fabricar con relativa facilidad piezas de grandes dimensiones y

también piezas pequeñas y complicadas que se pueden obtener con gran

precisión de formas y medidas. Además en ellas es mucho menos frecuente la

aparición de zonas porosas que en las piezas fabricadas con acero fundido.

4) Para numerosos elementos de motores, maquinaria, etc., son suficientes las

características mecánicas que poseen las fundiciones. Su resistencia a la

compresión es muy elevada (50 a 100 kg/mm2) y su resistencia a la tracción

(que puede variar de 12 a 70 kg /mm2) es también aceptable para muchas

aplicaciones. Tienen buena resistencia al desgaste y absorben muy bien

(mucho mejor que el acero) las vibraciones de máquinas, motores, etc. a las

que a veces están sometidas.

5) Su fabricación exige menos precauciones que la del acero y, sin necesidad de

conocimientos técnicos muy especiales, se llegan a obtener fundiciones con

características muy aceptables para numerosas aplicaciones.

6) Como las temperaturas de fusión de las fundiciones son, como hemos dicho

antes, bastante bajas, se pueden sobrepasar con bastante facilidad. Por lo

tanto, suele ser bastante fácil conseguir que las fundiciones en estado líquido

tengan gran fluidez, y con ello se facilita la fabricación de piezas de poco

espesor.

7) En la solidificación presentan mucho menos contracción que los aceros y,

además, su fabricación no exige como en los aceros, el empleo de refractarios

relativamente especiales de precio elevado.

CAPÍTULO II MÉTODOS DE FABRICACIÓN


Capítulo II

MÉTODOS DE FABRICACIÓN

I1.1 PROCESOS DE FUNDICIÓN

Proceso de producción de piezas metálicas a través del vertido de metal fundido

sobre un molde hueco, por lo general hecho de arena. El principio de fundición es

simple: se funde el metal en un horno, se vacía el líquido en un molde y se deja

enfriar, existen todavía muchos factores y variables que se deben considerar para

lograr una operación exitosa de fundición. La fundición es un antiguo arte que

todavía se emplea en la actualidad, aunque ha sido sustituido en cierta medida por

otros métodos como la fundición a presión (método para producir piezas fundidas

de metal no ferroso, en el que el metal fundido se inyecta a presión en un molde),

la forja (proceso de deformación en el cual se comprime el material de trabajo

entre dos dados usando impacto o presión para formar la parte), la extrusión (es

un proceso de formado por compresión en el cual el metal de trabajo es forzado a

fluir a través de la abertura de un dado para darle forma a su sección transversal),

el mecanizado y el laminado (es un proceso de deformación en el cual el espesor

del material de trabajo se reduce mediante fuerzas de compresión ejercidas por

dos rodillos opuestos).

La realización de este proceso empieza lógicamente con el molde. La cavidad de

este debe diseñarse de forma y tamaño ligeramente sobredimensionado, esto

permitirá la contracción del metal durante la solidificación y enfriamiento. Cada

metal sufre diferente porcentaje de contracción, por lo tanto si la presión

dimensional es crítica la cavidad debe diseñarse para el metal particular que se va

a fundir. Los moldes se hacen de varios materiales que incluyen arena, yeso,

cerámica y metal. Los procesos de fundición se clasifican de acuerdo a los

diferentes tipos de moldes.



Se calienta primero el metal a una temperatura lo suficientemente alta para

transformarlo completamente al estado líquido, después se vierte directamente en

la cavidad del molde. En un molde abierto el metal líquido se vacía simplemente

hasta llenar la cavidad abierta. En un molde cerrado existe una vía de paso

llamada sistema de vaciado que permite el flujo del metal fundido desde afuera del

molde hasta la cavidad, este es el más importante en operaciones de fundición.

Cuando el material fundido en el molde empieza a enfriarse hasta la temperatura

suficiente para el punto de congelación de un metal puro, empieza la solidificación

que involucra un cambio de fase del metal. Se requiere tiempo para completar

este cambio de fase porque es necesario disipar una considerable cantidad de

calor. El metal adopta la forma de cavidad del molde y se establecen muchas de

las propiedades y características de la fundición. Al enfriarse la fundición se

remueve del molde; para ello pueden necesitarse procesamientos posteriores

dependiendo del método de fundición y del metal que se usa. Entre ellos tenemos:

a) El desbaste del metal excedente de la fundición.

b) La limpieza de la superficie.

c) Tratamiento térmico para mejorar sus propiedades.

d) Pueden requerir maquinado para lograr tolerancias estrechas en ciertas

partes de la pieza y para remover la superficie fundida y la microestructura

metalúrgica asociada.

II.2 Modelo y corazón

La fundición en arena requiere un patrón o modelo al tamaño natural de la parte,

ligeramente agrandado, tomando en consideración la contracción y las tolerancias

para el maquinado de la fundición final.



Aun cuando un modelo se usa para producir piezas coladas de dimensiones

específicas, este no tiene las mismas dimensiones que la pieza. Para el diseño y

fabricación de los modelos, se considera un número importante de tolerancias y

reglas que deben incorporarse para tener piezas dimensionalmente correctas. Los

factores que por razones metalúrgicas y mecánicas deben considerarse siempre las

normas para elaborar un modelo.

Es el elemento que sirve para la obtención de la cavidad en los moldes de arena.

Estos se logran cuando la arena se comprime alrededor del modelo y ambos están

dentro de una caja de moldeo. Cuando se termina de compactar la arena se

extrae el modelo y después de cerrar el molde, se vacía el metal líquido para que

llene las cavidades del mismo. Los modelos deben de estar bien diseñados a fin

de compensar la contracción y evitar dificultades de moldeo, o bien rechazo de

piezas por excentricidades, formación de grietas y otros defectos.

Estos defectos pueden evitarse si se proveen las formas adecuadas de los

modelos para facilitar el moldeo. Para seleccionar el material más adecuado para

el modelo es menester conocer la cantidad de piezas a producir así como el

número de moldes necesarios.

Para las dimensiones del modelo se deben calcular las contracciones metálicas

esperadas en la pieza y compensar en la dimensión del modelo, también se deben

proveer los sobre-espesores de maquinado necesarios, figura II.1. (Caro, Jesús:

2003,16).



Figura II.1. Modelo bipartido representando un sistema de alimentación.

CORAZÓN

También llamado núcleo, macho, alma o anima. Los modelos definen la forma

externa de la fundición. Si posee superficies internas, se necesita un corazón para

definirlas. Un corazón es un modelo de tamaño natural de las superficies interiores

de la pieza. Además puede quedar formado por el molde mismo o puede ser

hecho en otra parte e introducido en el molde después de extraer el modelo. Se



pueden formar superficies tanto internas como externas en una pieza de fundición

mediante los corazones.

El corazón se inserta en la cavidad del molde antes del vaciado, para que al fluir el

metal fundido, solidifique entre la cavidad del molde y el corazón, formando así las

superficies externas e internas de la fundición. El corazón se hace generalmente

de arena compactada.

El tamaño real del corazón debe incluir las tolerancias para contracción y

maquinado lo mismo que el patrón. Los corazones se clasifican como corazones

de arena verde y corazones de arena seca.

Los corazones de arena verde son aquellos formados por el mismo modelo y se

hacen en la misma arena del molde. Los corazones de arena seca son los que se

forman separadamente para insertarse después que se ha retirado el modelo y

antes de cerrar el molde.

En general deben usarse los corazones de arena verde, siempre que sea posible

para mantener el costo de los modelos y de las piezas de fundición en un mínimo.

Naturalmente los corazones separados aumentan el costo de producción. Un

corazón debe ser, figura II.2:

• Permeable: capacidad de la arena para permitir que escapen los vapores.

• Refractario: capacidad de soportar altas temperaturas.

• Fácil al colapso: habilidad para disminuir el tamaño conforme se enfría el colado

y se contrae.

• Resistente en seco: para que no se erosione y sea arrastrado o cambie de

tamaño cuando este rodeado del metal fundido.

• Friable: facilidad para desmoronarse y eliminarse con facilidad del colado.

• Debe tener una tendencia mínima a generar gas.



Figura II.2: Manufactura del Corazón

El corazón, dependiendo de la forma, puede o no requerir soportes que lo

mantengan en posición en la cavidad del molde durante el vaciado. Estos

soportes, llamados sujetadores, se hacen de un metal cuya temperatura de fusión

sea mayor que la de la pieza a fundir. Por ejemplo, para fundiciones de hierro

fundido se usan sujetadores de acero. Los sujetadores quedan atrapados en la

fundición durante el vaciado y la solidificación. En la figura II.3 se muestra un

posible arreglo del corazón usando sujetadores. La porción de los sujetadores que

sobresalen de la fundición se recortan después.

Figura II.3: a) Corazón mantenido en su lugar dentro de la cavidad del molde por

los sujetadores, b) Diseño posible del sujetador, c) Fundición con cavidad interna



II.2.1 Consideraciones para un Modelo

a) Ángulo de extracción: Al tener preparado el molde es necesario abrirlo en 2

más partes para poder extraer el modelo, para lo cual es necesario que este

tenga en todas sus caras normales a la línea de partición, una inclinación que

permita su extracción, sin que el modelo arrastre arena consigo, figura II.4.

Figura II.4. Correcta Extracción de una Pieza.

Para determinar el ángulo de extracción β de los modelos, se recomiendan los

valores de la tabla I.1 y I.2y figura II.5.

Tabla II.1. Ángulos de Salida para un Modelo

Altura de un Modelo Ángulo de Salida

De 1 a 10 mm 3°

De 11 a 20 mm 2°

De 21 a 35 mm 1°

De 36 a 65 mm 0°45´

De 66 a 150 mm 0°30´



Tabla II.2. Pendientes para un Modelo

Altura de un Modelo Pendientes

De 151 a 250 mm 1.5mm

De 251 a 400 mm 2.5mm

De 401 a 600 mm 3.5mm

De 601 a 800 mm 4.5mm

Figura II.5. Modelo de una Válvula con ángulos determinados.

b) Contracción: Al solidificar los metales o aleaciones se contraen y disminuye

su volumen, este fenómeno origina una reducción de las medidas de la pieza,

por lo cual los modelos al ser proyectados, deben contener en sus

dimensiones el porciento de contracción del metal o aleación.

Los modelistas toman en cuenta la contracción por solidificación para

sobredimensionar las cavidades de los moldes. La cantidad que hay que aumentar

a las dimensiones del molde con respecto al tamaño de la pieza final se llama



tolerancia de contracción del modelo. Aunque la contracción es volumétrica, las

dimensiones de la fundición se expresan linealmente.

Para hacer los modelos y los moldes más grandes que la pieza, se usan escalas

especiales de contracción que consideran una ligera elongación en proporción

adecuada. Estas escalas varían en elongación desde menos de 3 mm a 16 mm

por cada 300 mm de longitud con respecto a una escala normal, dependiendo del

metal a fundir. (Kalpakjian, Geraldo: 2002, 118). A continuación se presentan

algunas Contracciones Volumétricas en la tabla II.3:

Tabla II.3. Contracciones volumétricas en Metales

Metal

Contracción Volumétrica debido a:

Contracción por

Solidificación %

Contracción Térmica

del Solido %

Fundición de Acero 3.0 7.2

Aleación de aluminio 7.0 5.6

Fundición de Hierro Gris 2.0 5.0

Fundición de Hierro Gris

con Alto Carbono 1.8 3.0

Aluminio 0 3.0

II.2.2 Materiales para Modelos

El número de piezas a realizarse con un modelo determinara el criterio de

selección del material del mismo, que puede ser de madera, metal, poliestireno,

resina epóxica, cera o bien mercurio congelado. Sin duda que la vida útil del



modelo y su precisión son factores que influyen también para la selección del

material.

En México es muy utilizada la madera de ayacahuite, pino blanco, y cuando se

requiere mayor precisión se requieren maderas duras como la caoba.

Para moldear 100 veces o más, con un mismo modelo conviene hacerlo metálico

(de aluminio o aleaciones de aluminio) que resisten más al desgaste por abrasión.

Pueden fabricarse también de bronce o de hierro gris, ya que a veces el desgaste

es excesivo cuando se tienen que calentar, como es el caso del moldeo en

“cascara” (Shell Molding). Cuando se trabaja en la fundición por revestimiento

(investment casting), los moldes se realizan en cera o mercurio congelado.

(Appold, Hernan: 2005, 246).

II.2.3 Terminología para un Modelo

Modelo de madera: Es semejante a la pieza que se desea obtener en

fundición.

Plano de partición: Es la superficie que parte o divide al modelo en 2 o más

partes y se hace con el fin de facilitar la operación de moldeo.

Corazón o macho: sirve para formar el interior o hueco de una pieza y se

hace de arena seca o estufada. Para fabricarlo se requiere de una caja de

corazón (la arena se introduce en una caja y se apisona).

Plantilla o soporte de corazón: Se localiza en el modelo y sirve para formar

el apoyo para la arena del corazón o macho, el cual se coloca

posteriormente en el molde. (Stenquist, William: 2003, 244).



II.2.4 Tipos de Modelos

MODELOS SUELTOS.- Pueden considerarse a este tipo de modelos con

acoplamiento simple de las piezas a fabricarse en las cuales se han

incorporado las tolerancias y las plantillas de los corazones.

Cuando se utilizan este tipo de modelos la línea de partición del molde debe

hacerse a mano. El sistema de coladas y alimentación también se hace a mano

y finalmente la separación de modelo y molde se efectúa también manualmente

teniendo necesidad de aflojar previamente el modelo para poder separarlo del

molde, consecuentemente en ese momento se tiene una variación dimensional.

Aun cuando la utilización de este tipo de modelo es cosa común en nuestro

medio, en la mayoría de los casos podría eliminarse su utilización, ya que la

producción de moldes que se obtiene es baja y costosa, figura II.6.

Figura II.6. Modelos sólido, dividido, con placa de acoplamiento y

modelo de doble placa superior e inferior

Modelo bipartido.- Se presentan en 2 partes; el plano de partición en

forma general se localiza en el plano de simetría de la pieza.

Modelo con plantillas para corazón normal.- Es natural o bipartido pero

con plantillas. El corazón normal se fabrica en una máquina de extruido de

arena.



Modelo con caja de corazón.- Es el modelo con plantillas para corazón

pero con una caja de corazón adicional.

Modelo en secciones.- Son modelos en 2 o más secciones y

generalmente el plano de partición es irregular. (Beeley, Peter: 2001, 167)

II.3 Arenas para fundición

Para el proceso ordinario de fundición en moldes de arena, se requiere el empleo

de cantidades considerables de arena. Esta, es empleada en la fabricación de los

moldes, que servirán para hacer el vaciado del metal directamente en ellos. Para

lograr una buena arena, es necesario prestar mucha atención a todos los detalles

que entran en la preparación, control, manejo y uso apropiado de la misma.

Una arena es un material granular, resultante de la desintegración de las rocas; el

término se refiere al tamaño del grano y no a la composición mineral. El diámetro de

los granos puede variar entre 0.05 a 2.0 mm (6 a 270 mallas). La mayoría de las

arenas de fundición se componen básicamente de cuarzo y sílice.

La medición de las propiedades de las arenas, forman parte del control de este

material, siendo dichas mediciones muy importantes cuando se correlacionan con

la calidad de las piezas fundidas obtenidas, debido a que son un factor clave para

la eliminación de las causas de los defectos de fundición.

Una arena de moldeo es el resultado de unir y mezclar convenientemente varios

componentes para obtener de ellos las características deseadas.

II.3.1 Arena en verde

Una arena en verde (se le llama así a la mezcla de arena húmeda), que es el tipo

de arena más utilizada, se compone de los siguientes elementos: Sílice, arcilla y

agua.



Cualquier otro elemento presente deberá ser considerado como un agregado o

modificador cuya finalidad es la de modificar o mejorar determinadas propiedades.

Los aglutinantes o arcillas son de los siguientes tipos:

a) Bentonitas

b) Arcillas refractarias

c) Arcillas especiales (Toodd: 2004, 164)

II.3.2 Propiedades de la arena

Las propiedades de las arenas pueden clasificarse en dos tipos: La primera de ellas,

considera los caracteres estructurales de las arenas y la segunda, las propiedades

técnicas de las mismas. Entonces podemos decir:

1. PROPIEDADES ESTRUCTURALES.

Análisis químicos.

Contenido arcilloso.

Dimensión de los granos y su distribución

Forma de los granos.

2. PROPIEDADES TECNICAS.

Refracteriedad

Cohesión o resistencia

Permeabilidad

Fluidez

Moldeabilidad



Otras propiedades importantes que considerar en las arenas, se dan en la tabla

II.4.

Tabla II.4. Propiedades Térmicas de la Arena

Densidad (Kg/m3) 1640

Calor específico (J/Kg K) 815

Conductividad térmica (W/m K) 13

Temperatura inicial (K) 300

Dónde:

Densidad (ρ): masa de material por unidad de volumen: ρ = m / V (kg/m3).

Calor específico: Cantidad de energía necesaria para aumentar en 1ºC la

temperatura de 1 kg de material. Indica la mayor o menor dificultad que

presenta una sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el

suministro de calor. Los materiales que presenten un elevado calor específico

serán buenos aislantes. Sus unidades del Sistema Internacional son J/ (kg·K),

aunque también se suele presentar como 46cal/ (kg·ºC); siendo 1 cal = 4,184

J.

Conductividad térmica (k): capacidad de un material para transferir calor. La

conducción térmica es el fenómeno por el cual el calor se transporta de

regiones de alta temperatura a regiones de baja temperatura dentro de un

mismo material o entre diferentes cuerpos. Las unidades de conductividad

térmica en el Sistema Internacional son W/(m·K), aunque también se expresa

como 46cal/(h·m·ºC), siendo la equivalencia: 1 W/(m·K) = 0,86 kcal/(h·m·ºC).

Las propiedades físicas de la arena de fundición son:



Permeabilidad:

Propiedad de las arenas que permite eliminar los gases y vapores que se forman

al vaciar el metal fundido en el molde de arena, a través de ella misma. Para poder

calcular la permeabilidad de la arena utilizamos:

P = {(v).(h)}/{(p.a.t)} (C)

Dónde:

v = Volumen del aire (cm3)

h = Altura de la probeta en (cm)

p = Presión del aire (Kg/cm2)

a = Área transversal de la probeta (cm2)

t = Tiempo en segundos

C = constante dimensional (0.06 Kg-seg/cm4)

En la tabla II.5 se muestran algunos números de permeabilidad aceptables para

diferentes materiales:

Tabla II.5. Permeabilidad para diferentes Metales

METAL FUNDIDO NUMERO DE PERMEABILIDAD

Aluminio (ligero y medio) 8 a 15

Hierro (ligero) 15 a 65

Hierro (medio) 65 a 100

Hierro (pesado) 75 a 150



Hierro maleable (ligero) 20 a 50

Hierro maleable (medio) 50 a 100

Acero (ligero) 100 a 150

Acero (medio) 125 a 200

Resistencia a la compresión lb/pulg2 (psi)

La resistencia a la compresión de una arena en verde es la resistencia máxima

que una muestra es capaz de soportar cuando se prepara, apisona y ensaya. El

procedimiento para realizar este ensayo se requiere de utilizar probetas de arena

normalizadas y también una máquina para resistencias.

Compresibilidad

Cambio relativo de volumen frente a una variación de la presión. En principio la

magnitud de la compresibilidad depende de las condiciones bajo las cuales se

lleva a cabo la compresión o descompresión de la arena, por lo que a menos que

se especifique el modo en que se lleva a cabo esa operación la compresibilidad de

un valor u otro según las cantidades de calor intercambiadas con el exterior.

Humedad (%)

Cantidad de vapor de agua presente en la arena. Se puede expresar de forma

absoluta mediante la humedad absoluta, o de forma relativa mediante la humedad

relativa o grado de humedad. La humedad relativa es la relación porcentual entre

la cantidad de vapor de agua real que contiene la arena y la que necesitaría

contener para saturarse a idéntica temperatura. Actualmente el método más

utilizado en todas las fundiciones es conocido como método por aire caliente

forzado, el cual consiste en dirigir aire a través de una muestra de arena hasta

evaporar toda la humedad. El tiempo práctico es de 5 minutos. La muestra de

http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n



arena debe ser pesada a temperatura ambiente antes y después de circular el aire

caliente a través de ella. El contenido de humedad se calcula como porcentaje por

medio de la expresión: (Morral, 2006, 237)

II.4 Molde

El moldeo es un conjunto de actividades necesarias para poder transformar la

arena silico-arcillosa que se encuentra en estado plástico con el fin de ser

compactada dentro de una caja de moldeo, donde previamente se colocó el

modelo de la pieza. Al conjunto formado por la caja de moldeo, la arena apisonada

y la cavidad formada por el modelo, se le conoce como molde. (Appold, Hernán:

2005, 113). En la figura II.7 se muestra el corte de un molde:

Figura II.7. Corte Escalonado de un Molde

Figura II.7. 1.-Contrapeso, 2.-Copa de Colada, 3.-Caja de moldeo,

4.-Bebedero, 5.-Corazón

6.-Tobera, 7.-Mazarota o Alimentador.



II.4.1. Tipos y características del moldeo

Moldeo en arena verde: Cuando el estado de la arena en el molde contiene una

humedad relativa en toda su masa.

Ventajas:

Es un procedimiento sencillo

Se obtiene un enfriamiento rápido de las piezas

La impresión de la cavidad se obtiene con relativa precisión.

Desventajas:

La poca resistencia del molde

No tiene resistencia a la erosión

Existe un templado superficial en las piezas (perjudicial para el maquinado)

Requiere de mano de obra calificada.

Moldeo en arena verde con secado superficial: Es la operación del moldeo en

verde pero además se realiza un secado en las caras de contacto a fuego directo,

figura II.8.

Figura II.8. Molde de arena en verde



Ventajas:

Es un procedimiento sencillo

Se obtiene un enfriamiento rápido de las piezas

La impresión de la cavidad se obtiene con relativa precisión.

Vaciar piezas más pesadas, debido a un aumento en la resistencia del

molde.

Se evita el templado superficial en buena medida.

Se mejora el acabado superficial.

Moldeo en verde y secado completo: El secado completo de un molde en verde

se logra haciendo pasar el molde en hornos de secado en tiempos

preestablecidos.

Ventajas:

Se obtiene la mayor resistencia del molde.

La cantidad de gases a evacuar es mínima.

No hay templado superficial en las piezas y se facilita el maquinado.

Se obtiene un buen acabado superficial.

Desventajas:

Es un procedimiento lento.

Limitado al tamaño de la pieza (solo moldes pequeños)

Se eleva el costo de fabricación.

Debido a su alta resistencia, impide la libre contracción del metal.

(Leyensetter, Alejandro: 2006, 345).



II.4.2. Transferencia de calor en el molde

La transferencia de calor en el molde es mediante el paso de energía térmica

desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. Como

resultado de la Segunda ley de la termodinámica. Cuando existe una diferencia de

temperatura entre dos objetos en proximidad uno del otro, la transferencia de calor

no puede ser detenida; solo puede hacerse más lenta. La mayoría de los cambios

físicos y químicos, ocurren en las condiciones de presión constante de la

atmósfera. Para expresar el calor liberado o absorbido en un proceso a presión

constante, se utiliza una cantidad llamada entalpía (H). La entalpía de reacción

puede ser positiva o negativa, dependiendo del proceso. Para un proceso

endotérmico (calor absorbido por el sistema de los alrededores), H es positivo

(esto es, H > 0). Para un proceso exotérmico (se libera el calor del sistema hacia

los alrededores), H es negativo (esto es, H < 0). El metal líquido transmite calor al

molde de arena a través de los fenómenos convección, conducción y radiación, los

cuales son descritos a continuación: (Mills, Anthony: 1995, 154).

Convección:

Se realiza cuando se van eliminando los vapores y gases que se formaron en la

entrada del metal en el molde. Se evacuan por los intersticios de la arena, figura

II.9.

(I.1)

Dónde:

h = Coeficiente de convección (o coeficiente de película)

As = Área del cuerpo en contacto con el fluido

Ts = Temperatura en la superficie del cuerpo

= temperatura del fluido lejos del cuerpo.

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_t%C3%A9rmica



Figura II.9. Transferencia de calor por convección.

Conducción:

Se produce al entrar en contacto el metal líquido con el molde, figura II.10, la

cantidad de calorías liberadas está en función directa de la superficie en contacto.

Esta transferencia de calor está dada por:

(I.2)

Dónde:

= Tasa de flujo de calor que atraviesa el área A en la dirección x

k (o λ) = Constante de proporcionalidad llamada conductividad térmica

= Temperatura.

t = Tiempo

Q = calor liberado

Gases calientes



Figura II.10. Transferencia de calor por conducción.

Radiación:

Se produce a través del calor que liberan las superficies que se encuentran en

contacto con el medio ambiente, figura II.11.

(I.3)

Dónde:

q =Carga eléctrica de la partícula.

a = Aceleración de la partícula.

0 =Permisividad del vacío.

c = Velocidad de la luz.



Figura II.11. Transmisión de calor por radiación.

II.5 HIERRO COLADO

II.5.1 Tipo de hierro gris utilizado

La composición típica para obtener una microestructura grafítica es de 2.5 a 4%

de carbono y de 1 a 3% de silicio, el silicio juega un papel importante en

diferenciar a la fundición gris de la fundición blanca, esto es debido a que el silicio

es un estabilizador de grafito, esto significa que ayuda a precipitar el grafito desde

los carburos de hierro. Otro factor importante que ayuda a la formación de grafito

es la velocidad de solidificación de la colada, una velocidad lenta tenderá a

producir más grafito y una matriz ferritica, una velocidad moderada tenderá a

producir una mayor matriz perlítica, para lograr una matriz 100% ferrítica, se debe

someter la fundición a un tratamiento térmico de recocido.

Las fundiciones grises dan poco rechupe, 1 % de contracción lineal

aproximadamente, inferior a la de los aceros y fundiciones blancas. La pequeña

contracción al solidificar se debe a que su densidad (entre 6,95 y 7,35 g/cm3,

menor cuanto más carbono) es inferior a la de las fundiciones blancas (7,7 g/cm3)

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Perlitica&action=edit&redlink=1



y a la de los aceros (7,87 g/cm3). La figura II.12 muestra el tipo de válvula a

fabricar.

Figura II.12. Válvula de hierro colado gris

II.5.2 Tipo de fundición ( “Sand casting”)

El principal componente de este tipo de fundición es arena que se utiliza para

hacer el molde; el metal vaciado en el molde de arena una vez que solidifica, se

obtendrá la válvula de hierro, tabla II.6 y II.7

Tabla II.6. Propiedades Físicas y Térmicas del hierro colado.

Densidad Hierro Solido (kg/m3) 7800

Conductividad térmica Hierro líquido

(W/m K)

47

Conductividad térmica Hierro Solido (W/m K) 50

Calor Especifico Hierro Líquido (J/Kg K) 460

Calor Especifico Hierro Solido (J/Kg K) 457



Temperatura de Liquido (K) 1600

Temperatura de Solido (K) 1420

Punto de Fusión (K) 1680

Punto de Ebullición (K) 2125

Tabla II.7. Propiedades Térmicas de la Arena

II.5.3 Modelo

De madera. Semejante a la pieza que se desea obtener en fundición.

Tipo bipartido. Se presenta en 2 partes; el plano de partición se localiza en el

plano de simetría de la pieza, tabla II.8.

Tabla II.8. Pendientes para un Modelo

Altura de un Modelo Pendiente

De 251 a 400 mm 2.5mm

Valor de contracción para aplicarlos a las dimensiones del modelo en función del

material que será vaciado en la pieza, tabla II.9.

Densidad (Kg/m3) 1640

Calor Especifico (J/Kg K) 815

Conductividad Térmica (W/m K) 13

Temperatura Inicial K 300



Tabla II.9. Contracciones volumétricas en Metales

Material % Contracción

Hierro gris 0.5 A 1.2

II.5.4 Molde

Se realiza un secado en las caras de contacto a fuego directo. Las ventajas que

obtendremos al utilizar este tipo de molde son: Procedimiento sencillo, se obtiene

un enfriamiento rápido de las piezas, la impresión de la cavidad se obtiene con

relativa precisión, podremos vaciar piezas más pesadas como una válvula de

acero, debido a un aumento en la resistencia del molde, evitaremos el templado

superficial en buena medida y por último se mejorara el acabado superficial, figura

II.13.

Figura II.13. Molde de arena en verde



II.5.5 Convección

La transferencia de calor en el molde se realiza por convección debido a la

eliminación de vapores y gases que se formaron en la entrada del metal, estos se

evacuan por los intersticios de la arena, de tal forma que se determina por la

siguiente ecuación:

Dónde:

h = Coeficiente de convección (ó coeficiente de película)

As = Área del cuerpo en contacto con el fluido

Ts = Temperatura en la superficie del cuerpo

= Temperatura del fluido lejos del cuerpo

CAPÍTULO III PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN


Capítulo III

PROPIEDADES Y CÁLCULOS DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN

III.1 CONSTITUCIÓN DE UNA VÁLVULA DE COMPUERTA

III.1.1 Vistas de la válvula

III.1.2 Vistas del sistema de alimentación



III.2 MECANISMOS DE SOLIDIFICACIÓN

La solidificación involucra el regreso del metal fundido al estado sólido. Una fundición

gris solidifica a una temperatura constante que constituye su punto de congelación o

punto de fusión. Los puntos de fusión de las fundiciones o hierros grises son bien

conocidos. El proceso ocurre en un tiempo determinado como se muestra en la en la

figura III.1 diagrama, conocida como curva de enfriamiento:

Figura III.1. Curva de Enfriamiento.

La solidificación real toma un tiempo llamado, tiempo local de solidificación, durante el

cual el calor latente de fusión del metal escapa fuera del molde. El tiempo total de

solidificación va desde el momento de vaciar el metal hasta su completa solidificación.

Después que la fundición se ha solidificado completamente, el enfriamiento continúa a

una velocidad indicada por la pendiente hacia debajo de la curva de enfriamiento.



Debido a la acción refrigerante de la pared del molde, se forma una delgada película

inicial de metal sólido en la pared inmediatamente después del vaciado. El espesor de

esta película aumenta para formar una costra alrededor del metal fundido que va

creciendo hacia el centro de la cavidad conforme progresa la solidificación. La velocidad

del enfriamiento depende del calor que se transfiere en el molde y de las propiedades

térmicas del metal. (Gil Mur, 2005, 65)

III.3 SOLIDIFICACION DIRECCIONAL

Para minimizar los efectos dañinos de la contracción es conveniente que las regiones

de la fundición más distantes de la fuente de metal líquido se solidifiquen primero y que

la solidificación progrese de estas regiones hacia la mazarota. En esta forma, el metal

fundido continuará disponible en las mazarotas para prevenir los vacíos de contracción

durante la solidificación. Se usa el término -solidificación direccional- para describir este

aspecto del proceso de solidificación y sus métodos de control. La solidificación

direccional deseada se logra aplicando la regla de Chvorinov al diseño de la fundición, a

su orientación dentro del molde y al diseño del sistema de mazarotas. Por ejemplo, al

localizar las secciones de la fundición con menores relaciones V/A lejos de las

mazarotas la solidificación aparecerá primero en estas regiones y el suministro de metal

líquido para el resto de la fundición permanecerá abierto hasta que solidifiquen las

secciones más voluminosas. Otra forma de fomentar la solidificación direccional es usar

enfriadores sumideros de calor internos o externos que causan un, enfriamiento rápido

en ciertas regiones de la fundición, Los enfriadores internos son pequeñas partes de

metal colocadas dentro de la cavidad antes del vaciado, cuyo objetivo es que el metal

fundido solidifiqué primero alrededor de estas partes. (Ferrer Giménez, 2003, 256).



III.3.1 Tiempo de solidificación

El tiempo total de solidificación es el tiempo necesario para que la fundición solidifique

después del vaciado. Este tiempo depende del tamaño y de la forma de la fundición

expresada por una relación empírica conocida como regla de Chvorinov que establece:

Tiempo de solidificación = C (Volumen / área superficial) 2.

Dónde:

TST = Tiempo de solidificación total, min

V = Volumen de fundición, (m3)

A = Área superficial de la fundición, (m2)

n = Exponente que toma usualmente un valor de 2

Cm = Es la constante del molde.

Dado que n = 2, las unidades de Cm son (min/m2), su valor depende de las condiciones

particulares de la operación de fundición, entre las cuales se incluyen el material del

molde (calor específico y conductividad térmica), propiedades térmicas del metal de

fundición (calor de fusión, calor específico y conductividad térmica), y la temperatura

relativa de vaciado con respecto al punto de fusión del metal. El valor de Cm para una

operación dada se puede basar en datos experimentales de operaciones previas con el

mismo material de molde, metal y temperatura de vaciado, incluso cuando la forma de

la parte haya sido bastante diferente.

La regla de Chvorinov indica que una fundición con una relación de volumen a área

superficial se enfriará y solidificará más lentamente que otra con una relación más baja.

Este principio ayuda en el diseño de la mazarota del molde. Para cumplir su función de

alimentar metal fundido a la cavidad principal, el metal en la mazarota debe permanecer

en fase líquida más tiempo que el de la fundición. En otras palabras, la TST

(Temperatura de Solidificación Total) para la mazarota debe exceder la TST



(Temperatura de Solidificación Total) de la fundición principal. Como la condición del

molde para la mazarota y la fundición es la misma, las constantes del molde serán

iguales. Si el diseño de la mazarota incluye una relación de volumen a área más

grande, podemos estar más o menos seguros de que la fundición principal solidificará

primero y se reducirán los efectos de la contracción. Antes de considerar el diseño de la

mazarota mediante la regla de Chvorinov tomemos en cuenta el tema de la contracción,

razón por la cual se necesitan las mazarotas. (Valderrama, 2002, 43), figura III.2.

Figura III.2. Solidificación gradual de una pieza de Hierro colado

III.3.2 Contracción en la solidificación

Existen 3 tipos de contracción que se originan dentro del proceso de solidificación:

Contracción liquida (C1). Es la disminución de volumen en estado líquido.

Contracción de solidificación (Cds). Es la disminución de volumen desde el

principio de la solidificación (aparición del primer cristal solido) hasta el fin de la

solidificación (desaparición de la última gota liquida).

Contracción solida (Cs). Es la disminución del volumen del metal en estado sólido.

Esta contracción se caracteriza porque va acompañada de una disminución en las

dimensiones de la pieza. (Ferrer Giménez, 2003, 281), figura III.3.



Figura III.3. Contracción de una fundición cilíndrica durante la solidificación y

enfriamiento: (0) Niveles iníciales del metal fundido inmediatamente después del

vaciado; (1) reducción del nivel causada por la contracción del líquido durante el

enfriamiento; (2) reducción de la altura y formación de la bolsa de contracción causada

por la contracción por solidificación; y (3) reducción posterior de la altura y diámetro

debida a la contracción térmica durante el enfriado del metal sólido. Las reducciones

están exageradas para mayor claridad.

III.4 SISTEMAS DE ALIMENTACION

III.4.1 Componentes de un Sistema de Alimentación

Los sistemas de alimentación son creados por el modelista en base a su experiencia

por medio de ensayo y error, así mismo son una técnica para facilitar la fabricación de

piezas de fundición.

El sistema de alimentación está formado por los cargadores o mazarotas y su utilización

tiene como finalidad prevenir no sólo a formación de cavidades o rechupes, debido a la



contracción del metal durante la solidificación sino también evitar diseños con exceso

de metal y altos costos de limpieza.

Un buen sistema de alimentación debe poseer suficiente metal u volumen para

compensar la contracción de solidificación, promover una solidificación direccional hacia

el cargador, es decir, éste debe solidificar de último de manera de llevar

progresivamente la solidificación desde el interior del metal colado hasta una reserva de

metal exterior a la pieza suministrada por el cargador. Debe ser económico es decir, el

peso de la pieza es directamente proporcional a la suma del peso de la pieza, el peso

del sistema del colado y el peso del sistema de alimentación. Son muchos los factores

que se deben controlar para obtener una buena pieza de fundición. Uno de estos

factores es debido al recorrido que efectúa el metal en el molde y su etapa de

solidificación.

Para diseñar un sistema de alimentación correcto, se requiere conocer los principios de

flujo de fluidos y las características de solidificación del metal vaciado. El metal liquido

se introduce a la cavidad del molde a través de un “sistema de alimentación” compuesto

de cinco partes principales: basin, bebedero, canal, pozo y ataques. El metal se vacía

primeramente en el basin y pasa al bebedero vertical, después fluye a través del canal

(previamente formado en la arena del molde), y por ultimo pasa por los ataques, para

llegar a la cavidad del molde. (Kalpakjian: 2002, 178), figura III.4.

Figura III.4. Sistema de alimentación para una pieza maciza rectangular.



Diámetro del bebedero:

La profundidad puede ser 1.5 veces la profundidad del canal o 2 veces el diámetro del

bebedero.

Canal:

Son de sección rectangular y se deben diseñar en forma tal que permita distribuir el

metal en forma uniforme a la pieza.

Ataques:

Se conocen también como entradas y son la última parte del sistema de alimentación y

a su vez es la parte del sistema que tiene contacto con la cavidad del molde. Por regla

general los ataques son de sección rectangular y pueden estar por arriba del plano de

partición o por debajo. Los ataques o entradas deben estar distribuidos en forma

conveniente a la pieza. (Caro Silva: 2003, 97)

Basín:

Los sistemas de alimentación inician con un basín o capa de colada, destinado a recibir

el metal líquido de la cuchara de vaciado y deben a su vez mantener el resto del

sistema lleno del metal líquido. También deberá ayudar a retener la escoria e

inclusiones antes de que fluya a través del sistema.

Un Basín debe cumplir con las siguientes características:

Debe ser suficientemente grande para permitir la entrada del metal.

Debe ser suficientemente profundo para evitar la aspiración de aire y por

consecuencia la oxidación.

Bebedero:

El diseño correcto de un bebedero es extremadamente importante para el futuro de una

buena pieza de fundición. Debe de ser cónico en vez de recto, con la menor área en el

fondo, a fin de minimizar el efecto de vórtice y evitar el atrapamiento de burbujas de aire

durante el vaciado del metal.

Pozo (base del fondo del bebedero):

No debe tener aristas ni esquinas, se recomienda la forma circular y el fondo plano para

reducir la tendencia a la turbulencia y la aspiración de aire. El diámetro del pozo puede

ser 1.5 veces el diámetro del bebedero. La profundidad puede ser 1.5 veces la

profundidad del canal o 2 veces el diámetro del bebedero.



III.4.2 Defectos de una mala alimentación y causas

Juntura:

Es un hueco en forma de hendidura que se forma debido a que los chorros de metal

que llegan al molde, desde distintos lados, no se sueldan por completo. Las causas de

este defecto es la fluidez insuficiente del metal o el suministro inadecuado del metal y,

en particular, a la interrupción del chorro metálico al verter el metal en el molde.

Sopladuras:

Son burbujas de aire o de gases, que se desprenden del metal en el molde y se

retienen en la pieza moldeada, formando pequeños poros dispersos en distintas partes

de la pieza. Las causas de la aparición de las sopladuras en la pieza moldeada son:

Permeabilidad insuficiente del molde para los gases, (exceso de

apisonando y mala ventilación del sistema de alimentación).

Mala calidad de las arenas de moldeo y de los machos o corazones.

Mala ventilación de los machos (salida de gases).

Humedad de los machos en el molde armado o exceso de aglomerante.

Colada del molde con metal insuficientemente desoxidado.

Rechupes:

Son unas cavidades que se forman en consecuencia de una alimentación insuficiente

de la pieza moldeada, en los lugares de acumulación del metal. También se encuentran

a menudo, en las piezas moldeadas, la friabilidad de contracción y porosidad, lo cual se

manifiesta por una multitud de pequeños poros. Las causas que originan la formación

de los rechupes y la friabilidad son: estructura anormal o complicada de las piezas

moldeadas y la mala colocación de bebederos y de mazarotas, colada del molde con

metal a muy alta temperatura y composición química incorrecta del metal, que posee

una contracción elevada.



Cavidad por escorias:

Son intrusiones de escoria en el cuerpo de la pieza moldeada, que han penetrado en el

molde a través de la cuchara. Las causas de este tipo de defecto son: eliminación

insuficiente de las escorias del metal en la cuchara, colada incorrecta y construcción

incorrecta del sistema de alimentación.

Deformación:

Aparece debido a que las paredes de la pieza son de un grueso desigual. Es

conveniente mejorar la construcción de las piezas y emplear enfriadores para enfriar los

conjuntos macizos de la pieza moldeada (partes gruesas).

Salpicaduras:

Son gotas de metal no soldadas con la pieza moldeada que caen primeras al molde.

Estas gotas se endurecen en forma de fundición blanca, no se disuelven en el metal y

hacen más difícil la elaboración de la pieza al corte.

Colada Incompleta:

Que conduce a que una parte del molde no se llene con metal, tiene lugar debido a la

fluidez insuficiente del metal, y cuando los gases impiden llenar el molde. La colada

incompleta se observa también cuando el metal se escapa a través de la hendidura que

se forma a lo largo de la división del molde, a consecuencia de la mala sujeción de las

cajas. (Cole, G.S.2000, 142)



III.5 CÁLCULO DEL SISTEMA DE ALIMENTACION

Los sistemas de alimentación son creados por el modelista en base a su experiencia

por medio de ensayo y error, así mismo son una técnica para facilitar la fabricación de

piezas de fundición, el cálculo se basara en libros consultados los cuales aparecen al

final de este trabajo, así mismo se adaptaran en base a la experiencia de los fundidores

consultados.

III.5.1 Basín

Este se diseñara de modo que sea suficientemente grande para permitir la caída del

metal, además será suficientemente profundo para evitar la aspiración de aire y por

consecuencia la oxidación.

Cálculo

De acuerdo a la tabla citada con anterioridad podemos determinar las dimensiones del

basín, en base a la altura del bebedero, estos valores se muestran en la tabla III.1:

Tabla III.1. Dimensiones del Basín

Altura del bebedero: Altura del Basín Diámetro del Basín

380 mm 95.2 mm 80 mm



III.5.2 Bebedero

El diseño del bebedero será determinada por las siguientes características: Cónico, con

la menor área en el fondo a fin de minimizar el efecto de vórtice y evitar el atrapa miento

de burbujas de aire durante el vaciado del metal.

Cálculo

Obtener H (Altura del Bebedero)

H = h1 + h2

h1 = Altura del basín= 40.64 mm

h2 = Altura de la semicaja superior de moldeo= 203.2 mm

H = 50.8 mm + 152.4 mm= 203.2 mm

De acuerdo al siguiente nomograma y con los pasos siguientes calcularemos el

diámetro inferior y superior del bebedero:

1. El valor H (Altura del bebedero) se ubica en la escala H de la gráfica (figura III.5),

considerando un coeficiente de descarga (Cd) de 0.6, se unen ambos puntos a

través de una recta, marcando el punto de intersección en la escala I.

2. A partir del punto de intersección en la escala I, se traza la recta que pasa por la

escala V, (considerando que la velocidad de vaciado es de 11 lb/seg); y se extiende

hasta la escala D, para obtener la parte inferior del bebedero d1= 37.6 mm.

3. A partir de d1 en la escala D, se traza una recta que continua hasta la escala H con

el valor H = 347.6mm, esta recta intercepta un punto en la escala A.

4. Con el valor de h1=40.64 mm, en la escala H se traza una recta que intercepte la

línea de referencia A, continuándola a la escala D, para así obtener el diámetro de la

parte superior del bebedero d2 = 50.8 mm.


CALCULO DE ALIMENTACIÓN DE PIEZAS FUNDIDAS DE HIERRO COLADO GRIS, POR EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL Página 74

Figura III.5. Nomograma para el cálculo del bebedero|



III.5.3 Pozo

El diseño del pozo será determinado por las siguientes características: No tendrá

aristas ni esquinas, se realizara de forma circular y el fondo plano para reducir la

tendencia a la turbulencia y la aspiración de aire. El diámetro del pozo puede ser

1.5 veces el diámetro del bebedero. La profundidad puede ser 1.2 veces la

profundidad del canal o 2 veces el diámetro del bebedero.

Cálculo

Diámetro del pozo (Dp) = (1.2) x (d1) bebedero)

Dp = (1.2) x (37.6 mm) = 45.12 mm

Altura del pozo (Hp) = 2 (d1) bebedero

Hp = (2) x (37.6 mm) = 75.2 mm

III.5.4 Canal de alimentación

Será de sección rectangular y se diseñara de tal forma que permita distribuir el

metal de forma uniforme a la válvula.

Cálculo

El área transversal del canal es igual al área transversal del bebedero en d1.

Por lo tanto:

Área transversal

( )

Área del Canal (Ac) = 1110.36 mm2

Ac = Altura del canal (hc) x Ancho del canal (Wc)



Ac = hc x Wc

hc x Wc = 1110.36 mm2

Si Wc = 1.2 hc

hc x 1.2 hc = 1110.36 mm2

hc = √

Entonces:

Wc = 1.2 (hc)

Wc = 1.2 x 30.41mm = 36.50 mm

Luego las dimensiones del canal serán:

Altura hc = 30.41 mm

Ancho Wc = 36.50 mm

III.5.5 Ataques

El diseño de los ataques serán determinados por las siguientes características: De

sección rectangular, estarán por la parte media del plano de partición así mismo

serán distribuidos de tal manera que se distribuya de forma uniforme el material.

Cálculo

Para una válvula de 289 mm de longitud será conveniente 2 ataques.

El área de los ataques (Aa) = 1.2 Área transversal (d1)



Aa= 1.2 (1110.36mm) = 1332.43 mm2

Área por ataque = 1332.43mm2 / 2 = 666.216 mm2

Área del ataque (Aa) = Altura del ataque (ha) x Ancho del ataque (Wa)

Aa= ha x Wa = 666.216 mm2

Si: Wa = 1.2 ha

Aa = ha x 1.2 ha = 666.216 mm2

√

Wa = 1.2 X 18.25 mm = 21.90 mm

Luego las dimensiones de cada ataque serán:

Altura ha = 18.25 mm

Ancho Wc= 21.90 mm

III.5.6 Mazarotas

Las mazarotas o cargadores, son partes del molde que contienen el metal líquido

necesario para poder compensar los efectos de la contracción liquida y de

solidificación. Para ello debe de tener la siguiente propiedad: Conservar el metal

en estado líquido más tiempo que la pieza, es decir que sean las ultimas en

solidificar.



Cálculo

En relación al volumen de la pieza= 4578275.295 mm3

Utilizaremos un 23% del total de la pieza para el diseño de las mazarotas esto es:

50.8mm x 50.8 mm determinado por un volumen de: 524386.048 mm3, figura

III.6.

Figura III.6. Representación del Sistema de Alimentación y Válvula.

III.6 CÁLCULO DE TIEMPO DE SOLIDIFICACIÓN DEL SISTEMA

El tiempo total de solidificación es el tiempo necesario para que la fundición

solidifique después del vaciado. Este tiempo depende del tamaño y de la forma de

la fundición expresada por una relación empírica conocida como regla de

Chvorinov..



III.6.1 Bridas de la válvula

III.6.1.1 Cálculo del volumen de la brida macho

Formula

III.6.1.2 Cálculo del área de la brida macho

Formula



Convertimos el área y volumen a pulgadas para utilizar la regla de Chvorinov

tsm = 6.75 x 1.2 = 8.1 min

III.6.1.3 Bridas laterales



tsm = 6.28 min x 1.2 = 7.53 min

III.6.2 Mazarotas

II.6.2.1 Cálculo de Volumen de las mazarotas

Formula:

III.6.2.2 Cálculo de Área de las Mazarotas

Formula:



II.6.3 Canal de Alimentación

II.6.3.1 Cálculo de Volumen del canal de alimentación

Formula:

( ) ( )

V = 302310.4895 mm3

II.6.3.2Cálculo de Área del canal de alimentación

Formula:

(

( )) ( )( )


(

)



(

)

⁄ (

)

tsm = 2.82 min x 1.2 = 3.39 min

CAPÍTULO IV ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS


Capítulo IV.

ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS

IV.1. Obtención de resultados obtenidos

En la fase de diseño del sistema de alimentación su propósito, basado en los

requerimientos previamente obtenidos, es mostrar cómo éste permite obtener una

pieza de fundición de mejor calidad a un costo menor.

Muchos aspectos adicionales deben considerarse al implementar este sistema de

alimentación a fin de minimizar la aparición de defectos.

Deben evitarse los ángulos agudos en todas las partes del modelo, ya que estos

concentran tensiones y son una causa de grietas en la pieza fundida.

Deben ampliarse los radios, por lo menos a 2.81 mm, en todos los cambios de

dirección y de sección de la pieza, ya que estos reducen la concentración de

esfuerzos y logran un enfriamiento y contracción uniformes.

Deben evitarse los cambios bruscos de sección, ya que éstos provocan fallas

durante el enfriamiento.

Es muy importante también considerar los espesores mínimos de sección, ya que

son de gran importancia en el diseño de cualquier tipo de pieza de fundición.

Cuando se diseña un componente para fundición, se deben tener presentes varios

factores esenciales, ya que omitir cualquiera de ellos va a influir negativamente en el

costo de producción de las piezas. Así, se tienen que considerar, entre otros

factores, la velocidad de alimentación del metal fundido en función de la velocidad de

solidificación. Si el metal solidifica lentamente, las entradas del metal deben ser de

menor sección, pero la posibilidad de interrupción del flujo del metal líquido por



enfriamiento de una entrada reducida se incrementa con la disminución de su

sección.

En el caso específico de las piezas de hierro fundido, la sección de las entradas es

siempre menor que las de otras aleaciones, por ejemplo de acero. Adicionalmente a

esta consideración, la forma de estas entradas se diseña primordialmente para

promover un flujo laminar en la pieza, que evite la formación de vacíos en la pieza

fundida pero debe mantenerse el metal líquido en movimiento, en los alimentadores,

ya que se ha observado que la solidificación se retarda cuando el flujo del metal es

turbulento.

Los alimentadores calculados en este trabajo, garantizan la sanidad de la pieza al

aportar el metal líquido necesario para evitar los defectos de solidificación, ya que el

metal líquido en el interior de la pieza se contrae al solidificarse y por tanto es

necesaria la aportación de metal líquido adicional durante el proceso de

solidificación. Es esta la función principal de los alimentadores. De ahí la importancia

de un buen cálculo del sistema de alimentación de las piezas de hierro gris.

Se debe considerar, por tanto, que una solidificación prematura de la unión del

alimentador con la pieza, causará rechupes en el interior de la pieza o también si el

tamaño del alimentador no es suficiente, se formará en su interior un rechupe interno

o secundario que afectará la parte de unión con la pieza.

El metal debe entrar en la cavidad así como proporcionar una solidificación

direccional. La solidificación debe progresar desde la superficie del molde a la parte

del metal más caliente compensando así la contracción.

Se debe prever que no entre la escoria u otras partículas extrañas a la cavidad del

molde. La vasija o copa de vaciado, debe estar próxima a la parte superior al agujero

del bebedero, facilitando el vaciado y eliminado la escoria. El metal debe ser vaciado

de tal manera que la vasija de vaciado y el agujero del bebedero o canal de bajada

estén llenos todo el tiempo.



Los rebosaderos, mazarotas o alimentadores que se colocan, proporcionan en los

|compensar las contracciones. Las mazarotas pueden ser tan grandes en sección,

así como el resto del metal líquido, tan grande como sea posible, y puede localizarse

cerca de las secciones grandes que pueden estar sujetas a una gran contracción. Si

estas se colocan en la parte superior de la sección, la gravedad puede ayudar a la

alimentación del metal en la propia pieza fundida, pero provocar problemas en el

terminado de las piezas (corte y acabado) e incrementa los costos de producción (fig.

IV.1)

Figura IV.1.- Comparativo de alimentadores de una pieza de fundición. A la

izquierda un alimentador tradicional. A la derecha un alimentador calculado en base

a la relación de módulos pieza – alimentador.

Los rebosaderos o alimentadores ciegos son como rebosaderos con cúpula, se

localizan en la mitad de la tapa de la caja, los cuales no tienen la altura completa de

la tapa. Estos están normalmente colocados directamente sobre el canal, donde el

metal alimenta dentro de la cavidad del molde y entonces alimenta de metal caliente

cuando el vaciado está completándose.

Algunos aspectos importantes que se consideraron en el cálculo del sistema de

alimentación de la pieza de hierro gris, en este trabajo, son:



Mínimo espesor.

El mínimo espesor que puede ser obtenido mediante vaciado de una pieza depende,

para cada metal o aleación, de factores como la longitud y el área superficial de la

sección, así como también de su posición con respecto al sistema de entradas al

molde. Las secciones delgadas requieren de apropiada disposición de los sistemas de entrada,

porque si la longitud de la sección de espesor mínimo entonces, esta mínima sección debe

aumentarse para garantizar el llenado de metal en dicha sección.

Cambios de sección

Cuando los cambios de sección de una pieza a ser vaciada son bruscos, donde hay masas

localizadas de metal que conducen a puntos calientes, hay susceptibilidad a formación de

grietas en caliente y a cavidades de rechupe. Los cambios progresivos de sección son más

adecuados para el diseño metalúrgico, ya que se pueden realizar a las secciones y

que son más comúnmente aceptados por los diseñadores mecánicos.

Proceso de alimentación

Al comenzar las contracciones de solidificación del conjunto alimentador–pieza,

empieza a formarse en la parte superior del alimentador un cono de rechupe que

hace disminuir su volumen y a aumentar su superficie, lo que equivale a reducir su

módulo. De ahí el coeficiente empleado sobre el módulo de la pieza que sirvió de

base para el cálculo de alimentación de la pieza de este trabajo. Como este rechupe

debe estar limitado antes de la superficie de la pieza para que ésta sea sana, es

evidente que el volumen del rechupe será un porcentaje de la misma.

R. Wlodawer ha calculado que, tomando por seguridad un rechupe que llegue sólo al

80% de profundidad del alimentador, el volumen del mismo supone un 14% del

volumen inicial de la misma (fig. IV.2).



Fig IV.2.- Sección longitudinal de una mazarota

De esta forma, el proceso para el cálculo de los alimentadores y de todo el sistema

se puede resumir en los siguientes pasos:

a) División de la pieza en elementos simples de alimentación, contando con lo ya

conocido de zonas alimentadas a través de otras, de zonas finales que, dicho

de otro modo, se alimentan por sí solas.

b) Cálculo de los módulos de cada elemento de alimentación

c) Determinación del módulo de los alimentadores y del número de éstos con

relación a las zonas alimentadas.

d) Cálculo de la unión alimentador–pieza en caso de no estar aquella aplicada

directamente.

e) Comprobación del comportamiento de los alimentadores en relación a la

contracción total de las partes de la pieza consideradas, más sus

alimentadores correspondientes.

f) Reconsideración del cálculo en caso de no haber obtenido alimentaciones

correctas.



Los porcentajes de alimentación para conseguir piezas sanas de hierro fundido,

dependen del tamaño y geometría de la pieza y su influencia en el costo de

producción puede ser significativa, sin embargo es imprescindible tener un cálculo de

alimentación adecuado, ya que los riesgos de un mal cálculo encierra gravísimas

consecuencia en defectos en las piezas fundidas.

El sobrecalentamiento y composición de la aleación, son aspectos muy importantes.

El metal fundido, calentado a una temperatura más alta, tiene un periodo de tiempo

mayor en el molde antes de solidificar; por consiguiente, fluye mayor distancia que

una aleación calentada a una temperatura más baja. La composición de la aleación

afecta la fluidez y depende de las características de enfriamiento de las aleaciones

con los elementos químicos que la componen. La mejor fluidez es observada en las

aleaciones con los rangos de enfriamiento más estrechos como en los metales puros

y en las composiciones eutécticas. Estas aleaciones tienen pequeña o ninguna

región pastosa durante el proceso de solidificación. Sin embargo, una aleación con

un gran rango de enfriamiento durante el flujo, a través del molde de prueba de

fluidez, muestra una condición donde la aleación está en un estado pastoso. Esta es

caracterizada por el entrelazamiento de dendritas y, en algunos casos, muchas islas

de material sólido, rodeadas por líquido cerca de la temperatura de solidificación. En

estos tipos de aleaciones es natural que la fluidez sea restringida.

Ciertos elementos químicos, cuando son agregados a las diferentes familias de

aleaciones, ayudan a incrementar su tiempo de vida como fluido. Por ejemplo cuando

se agrega silicio a un acero al carbono común y a las aleaciones de aluminio, se

incrementa su fluidez. El fosforo por otra parte, ayuda a incrementar la fluidez del

hierro vaciado gris y en ciertas aleaciones a base de cobre.

Un sistema de alimentación bien diseñado ayuda a evitar enfriamiento prematuro,

turbulencia o gases atrapados.

Para el cálculo de los alimentadores se utilizó el criterio de volumen, donde primero

se determina el volumen correspondiente al volumen mínimo que debe tener el



alimentador para compensar la contracción volumétrica de la pieza, que en el caso

del hierro gris es del orden del 3 – 5 %, considerando que las partes delgadas no se

cuentan porque enfrían muy rápido y el alimentador no le puede proporcionar metal

para compensar su contracción que, por otra parte no le afecta. También este criterio

sirve para establecer la distancia entre el alimentador y la pieza.

El segundo criterio utilizado es el del módulo, que es un parámetro geométrico, que

de alguna forma representa la velocidad o el tiempo de enfriamiento de la pieza,

suponiendo un valor uniforme del coeficiente de transmisión de calor en toda la

superficie. A partir de este criterio, puede deducirse que el alimentador ideal sería

esférico, pero implica serias dificultades de moldeo, lo que deriva en formas

cilíndricas más sencillas con una relación de altura a diámetro del orden H/D = 1; 1,5;

2; …

El módulo es determinante en el cálculo de los alimentadores, ya que éstos tienen

que enfriar y por tanto, solidificar más lentamente que la pieza que alimentan. Lo que

se pretende es determinar aquel diámetro D para que el alimentador solidifique

después que la pieza.

También es necesario considerar la posición del alimentador, que en algunas

secciones será conveniente hacerla más elevada que la pieza para un correcto

traspaso del líquido y para facilitar la separación de la pieza sólida.

Es importante tomar en cuenta la humedad de la arena, así como el grano refractario

de la misma, ya que, al tener contacto con la superficie de la pieza, ésta enfriará más

rápido que el resto de la misma, lo que influye directamente en la velocidad de

enfriamiento.

Un aspecto que impacta directamente en las propiedades mecánicas de la pieza es

sin duda la velocidad de enfriamiento, lo que está directamente relacionado con el

molde elegido para la fabricación de la pieza, ya que en función de éste será la forma

de los cristales de la estructura obtenida en la pieza. Generalmente se prefieren



cristales equiaxiales, para evitar grietas. Si la velocidad de enfriamiento es rápida, se

favorece la formación de cementita, lo cual imparte mayor dureza a la pieza pero a la

vez mayor fragilidad (fundición blanca). Por ello se busca que la velocidad de

enfriamiento sea lo más lenta posible, favoreciendo la formación de grafito (fundición

gris) y haciendo el producto de mayor uniformidad aunque de menor resistencia.

Como es previsible, el método de entrada del metal líquido de forma directa produce

cierta erosión por lo que es conveniente buscar otros métodos de alimentación. El

problema principal es que algunos de éstos son de difícil ejecución. En el sistema de

distribución y alimentación se debe tener en cuenta cual va a ser el tiempo de

llenado, que depende de la temperatura de entrada del material, forma de la pieza,

tipo de arena, etc. Los tiempos límites para evitar defectos superficiales son menores

en los métodos de colada directa o ataque horizontal que en sifón.

Las secciones de la pieza que requieren mazarotas, serán aquellas que cumplen con

que:

El metal solidifique en capa continua

El coeficiente de contracción del líquido es alto (mayor del 3%)

La pieza tiene cambios de sección pronunciados

Tiene partes que van mecanizadas o que se van a taladrar

Si la mazarota es necesaria, para calcularla se aplican los dos criterios, el de

volumen y el del módulo de enfriamiento, que se explicó en párrafos anteriores.

La capacidad de auto alimentación es una característica de los hierros que permite

de minimizar el número de mazarotas. Desgraciadamente esta capacidad no es una

constante del material y puede variar en modo notable, dependiendo de la calidad del

molde, de la llamada calidad metalúrgica (CM) y por último de la geometría o



configuración de la pieza en cuestión. Estos factores no son gobernables al 100% y

por este motivo una solución cierta para obtener piezas sanas debe prever un

contacto bastante directo entre la mazarota y el punto o puntos calientes de la pieza.

Para conseguir una mayor reproducibilidad, el módulo de la mazarota en general

debe ser en lo posible un 20% mayor al del punto más caliente de la pieza. El modulo

del cuello debe tener al menos el 70% del valor de este último. Entre los otros puntos

calientes de la pieza y aquel mayor, se debe mantenerse un contacto térmico

nuevamente igual al 70% del módulo del punto caliente considerado. Donde asegurar

una buena direccionalidad, las mazarotas o alimentadores deben ser en lo posible

calientes (con ingreso de caldo). Ello no es naturalmente necesario para las

mazarotas ciegas o de menor tamaño.

Funcionalidad de las mazarotas

La funcionalidad de la mazarota es a su vez dependiente de la temperatura de

vaciado y del diseño del sistema de llenado.

Temperaturas bajas y/o ataques de colada gordos, en las mazarotas, apuntan a un

fallo de las mismas con la consiguiente presencia de defectos, aún cuando las

mazarotas son proporcionadas correctamente (fig.IV.3a).



Fig.IV.3 (a) Mazarota rechupada superficialmente por pérdida de presión positiva; (b)

radiografía de un conjunto mazarota- pieza en hierro: en la izquierda el contacto con

la atmósfera ha sido mantenido, en cambio a la derecha no.

La razón reside en el hecho que la mazarota perdiendo contacto con la presión

atmosférica, no está en grado de bombear metal de alimentación a la pieza (fig.3b).

De este fenómeno no son exentos ni siquiera las camisas, aislantes o especialmente

las exotérmicas en el caso de bajas temperaturas de llenado (< 1300°C) (fig.IV.4a,

fig.IV.4b). Los rechupes se localizan en la zona de contacto con la pieza si es que el

punto caliente de esta se encuentra en esa zona. Si no el defecto permanece en el

interior de la pieza (fig.IV.4c).

Fig.IV.4 (a) Camisa aislante que se presenta exteriormente deprimida, signo de

presión negativa (b) cavidad de rechupe consecuente en la zona de contacto. La

causa: temperatura de vaciado demasiado baja (c) rechupe interior por fallo de la

mazarota descubierto durante el mecanizado.

Errores comunes de diseño

Es sabido, por experiencia, que en el diseño de las mazarotas (y no sólo en el hierro)

algunos errores se cometen en modo repetitivo por el personal de las oficinas

técnicas. Tales errores son relacionados con:



1. Una errada valoración de módulos;

2. Un errado posicionamiento del las mazarotas;

3. Fallo en la identificación de fenómenos de saturación térmica;

4. Una errada distribución del metal.

Valoración errada de módulos

Con frecuencia las mazarotas se eligen sin realizar previamente un análisis de

módulos de la pieza, en parte simplemente porque su cálculo no resulta fácil en caso

de geometrías complejas. Cualquiera que sea la razón, el posicionamiento se hace

basándose exclusivamente sobre las posibilidades de aplicación ofrecidas por el

modelo. Ello conduce, normalmente, a tropezar con problemas de integridad que

aunque leves pueden no ser tolerables. El uso de simulaciones, como las tomadas

para este trabajo, minimiza ese riesgo.

1er caso –En la fig. IV.5 el empleo de una minimazarota, mucho más caliente que la

pieza, no ha evitado la presencia de porosidades en la zona interior de unión. La

distancia al punto caliente es evidentemente excesiva. La simulación la ha

evidenciado sin dificultad. La tonalidad del punto caliente anticipa una porosidad

bastante visible.



Fig.IV.5 (a) La situación real (b) el modelo simulado con la minimazarota aislante en

alto.

2° caso – En la fig.IV.6 si ilustra un caso similar. La alimentación con el alimentador

aislante, también mucho más caliente que la pieza, no ha podido evitar la presencia

de porosidades en la zona bajo el círculo. Debido a la imposibilidad de modificar

intempestivamente la geometría del modelo, en la zona del contacto, el defecto fue

pronosticado.



Fig.IV.6 (a) La situación real (b) El modelo simulado.

Posicionamiento errado

Por posicionamiento errado se entiende la aplicación de mazarotas o camisas o aún

minimazarotas en zonas relativamente frías, que no aseguran un contacto térmico

suficiente con el punto caldo de la pieza.

1er caso. Piezas con bridas a L. Es costumbre en estos casos alimentar las piezas

a través de la brida en modo lateral (fig.IV.7a). Fácilmente se pueden experimentar

rechupes en la unión entre la brida y el cuerpo aún utilizando alimentadores aislantes

(fig.IV.7b). Los elementos señalados indican los ingresos de metal.

La solución sugerida en estos casos es aquella de aplicar la mazarota en posición

frontal respecto a la brida evitando la unión (fig.IV.7c). De este modo la mazarota

(con o sin camisa aislante) se posiciona en modo más favorable respecto al punto

caliente.



Fig.IV.7 Solución tradicional en el mazarotado de piezas con bridas (a) el modelo

inicial simulado (b) el resultado real (c) el modelo modificado simulado.

2° caso – Piezas con uniones en T. En el caso de presencia de uniones en T evitar

la aplicación de mazarotas, camisas aislantes, etc. en coincidencia a estas uniones,

posibilita el potenciamiento del punto caliente presente en el interior de la unión

existente (fig.IV.8a, fig.IV.8b). En estos casos el desplazamiento del punto de

aplicación hacia el borde (menos caliente) de la brida superior asegura una mejor

direccionalidad (fig.IV.8c).

Fig.IV.8 (a) El caso real (b) la simulación (c) la modificación que resuelve la

direccionalidad.



Presencia de formas de saturación

Puede suceder a veces que aplicando la mazarota en piezas con bridas, como en el

caso de este trabajo, siguiendo las indicaciones precedentes, las porosidades

tiendan a persistir. También en este caso la simulación está en grado de anticipar tal

evento (J. Beddoes, M.J. Bibbly ,1999).

1er Caso – En el caso ilustrado en la fig. IV.9a se evidencia una porosidad en la

unión (bajo el circulo) a pesar de la aplicación, a breve distancia, de una

minimazarota térmicamente suficiente (fig.IV.9b). El motivo se explica con fenómenos

de saturación entre la minimazarota y la pieza (fig.IV.9c).

Fig.IV.9(a) Defecto presente bajo el círculo a pesar del uso de una minimazarota (b)

la simulación advierte una falta de direccionalidad (c) perfil de las temperaturas en la

pieza y en el molde. La zona amarilla bajo el círculo señala una saturación térmica

local del molde.

2° caso. Un defecto muy común, son los rechupes en los cuellos cuando las

mazarotas o incluso camisas aislantes se posicionan en el interior de piezas, de

forma anular o de revolución.



Una fundición lamentaba rechazos por tal defecto que aparentemente se acentuaba

cuando se recurría a una camisa aislante. La simulación ha evidenciado fenómenos

de saturación térmica en el macho que contenía la camisa aislante (fig.IV.10)

Fig.IV.10 (a) El análisis de módulos mostraba que la camisa aislante, en el interior

del corazón, favorecía la formación de un punto caliente en la zona del cuello, que

motivaba la presencia de defectos persistentes de rechupe (b) perfil de temperaturas:

la zona del macho aparece térmicamente alterada.

Respecto al sistema de moldeo elegido (moldeo en verde), se pueden mencionar sus

ventajas y sus desventajas de este proceso.

Ventajas:

Amplia variedad de tamaños.

Geometrías de complejidad media.

Válido para cualquier aleación media.

Piezas sin tensiones residuales.

Económico: inversión en equipos reducida para series cortas o prototipos



Rápido y flexible para series cortas o prototipos.

Inconvenientes:

Tolerancias dimensionales amplias.

Aspecto y calidad superficial pobre.

Piezas con resistencia mecánica reducida, por el efecto del enfriamiento lento.

Cierta probabilidad de defectos.

Mano de obra calificada y especializada.

Cadencias de producción bajas (artesanal).

Almacenaje de moldes limitado (p. ej. Arcilla higroscópica)

CONCLUSIONES


CONCLUSIONES

La industria de la fundición es fundamental para la construcción de máquinas y

piezas en general, donde los moldes de arenas, modelo de la pieza así como el

sistema de alimentación, juegan un papel importante, además de tener un gran

peso en la calidad del producto terminado.

El sistema de alimentación de piezas de aleaciones ferrosas siempre representa

un enigma para muchas fundiciones. Ello es debido al hecho que el mecanismo de

la solidificación no es una constante del material. Tal mecanismo es dependiente

de la calidad del molde, de la calidad metalúrgica y por último de la configuración o

geometría de la pieza. Esta última puede dar lugar a fenómenos solapados de

saturación térmica.

A estos se agregan los fallos ocasionales de mazarotas por las causas ya

indicadas. De los ejemplos se evidencia las dificultades que se pueden encontrar

en la solución de los problemas de sanidad o integridad basándose

exclusivamente en la experiencia e incluso en cálculos basados en la teoría de

módulos.

Debido a la influencia que tienen las arenas de moldeo y los espesores utilizados

sobre las propiedades de la pieza que se quiere obtener, es que se determina

experimentalmente la probabilidad de defectos para garantizar la selección

adecuada. Teniendo en cuenta estos aspectos se puede lograr la optimización del

proceso de producción y garantizar la calidad del producto, lo que conlleva a un

ahorro económico ya que disminuyen los gastos vinculados a la producción,

además de aumentar la productividad de la fábrica, lo que influye directamente en

el balance económico.

Conjuntamente con la elaboración de los moldes y sistemas de alimentación bien

pensados, se puede aprovechar la capacidad de los hornos para de esta forma

CONCLUSIONES


aumentar el porcentaje de coladas, lo que contribuye al ahorro de energía, que a

su vez es un ahorro de combustible.

Impacto medioambiental

Los procesos de fundición y fabricación de piezas tienen una repercusión directa

sobre el medio ambiente, ya que en ellos se liberan al medio, partículas muy finas

que constituyen una agresión al entorno; además, el empleo de aglutinantes en las

mezclas provoca el desprendimiento de vapores y gases que pueden contaminar

el medio laboral y ambiental. Por eso es necesario aplicar medidas e ideas que

puedan ayudar a eliminar o reducir al máximo el grado de contaminación.

Es importante señalar que controlando las condiciones organizativas de

producción, y empleando la tecnología adecuada, se logra contribuir al ahorro de

energía, que conlleva a un ahorro de electricidad y a su vez a un ahorro de

combustible, siendo este último aspecto de gran importancia, ya que está

estrechamente relacionado con la emisión de gases contaminantes a la

atmósfera.

RECOMENDACIONES POSTERIORES


RECOMENDACIONES POSTERIORES

Este estudio se podrá llevar a cabo dentro de una fundidora, donde se

podrán observar los resultados obtenidos dentro de este trabajo.

Lo realizado en este estudio, se podrá tomar en cuenta para la modificación

y/o la realización de sistemas de alimentación.

La utilización de la simulación como complemento de esta teoría representa

sin duda la solución futura de tal problemática.

BIBLIOGRAFÍA


BIBLIOGRAFÍA

[1]. Julián, Rodríguez Montes (2006) “Fundición y arenas para moldes” en

Procesos Industriales para materiales metálicos. Reverte, México.

[2]. Jesús, Caro Silva (2003) “Modelo” en Tecnología de la Fundición. UAM,

México.

[3]. Geraldo, Kalpakjian (2002) “Consideraciones para un modelo” en Manufactura,

Ingeniería y Tecnología. Pearson, México.

[4]. Hernán, Appold (2005) “Materiales en Fundición” en Tecnología en los

Metales. Reverte, México.

[5]. William, Stenquist (2003) “Terminología” en Fundamentos de Manufactura

Moderna. Pearson, México.

[6]. Peter, Beeley (2001) “Fundición” en Tecnología de la Fundición, Oxford, USA

[7]. Alejandro, Leyensetter (2006) “Moldeo” en Tecnología de los Oficios

Metalúrgicos, Reverte, España.

[8]. Anthony F. Mills (1995) “Transferencia de Calor en Moldes” en Transferencia

de Calor, Mc Graw-Hill, California E.U.

[9]. Robert, Toodd (2004) “Properties of the sands” en Fundamental Principles of

Manufacturing Processes, Industrial Press Inc, E.U.

[10]. F.R. Morral (2006) “Propiedades” en Metalurgia General, Reverte, México.

[11]. F.J., Gil Mur (2005) “Solidificación” en Metalografía, Universidad Politécnica

de Catalunya, S.L. México.

[12]. Carlos Ferrer, Giménez (2003) “Solidificación Direccional” en Tecnología de

los Materiales, Universidad Politécnica de Valencia, España.

[13]. José, Valderrama (2002) “Regla de Chvorinov” en Información Tecnológica,

Centro de Información Tecnológica, México.

[14]. Eduardo, Capello (1974) “Fundición” en Tecnología de la Fundición,

Contrapunto, México.

[15]. Francis Weston Sears (2004) “Ecuaciones de Flujo” en Física Universitaria,

Pearson.

BIBLIOGRAFÍA


[16]. William D. Callister, Jr. (2007) “Conductividad” en Introducción a la Ciencia e

Ingeniería de los materiales. Reverte, España.

[17] J. Beddoes, M.J. Bibbly (1999) “Principles of metal and manufacturing

processes” en TecnologíaMecánica. Arnold, España

ÍNDICE DE FIGURAS

CALCULO DE ALIMENTACIÓN DE PIEZAS FUNDIDAS DE HIERRO COLADO GRIS, POR EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL IX

Índice de figuras

Capítulo I

I.1 Micro estructura de un hierro blanco fundido 8

I.2 Micro estructura de un hierro maleable 11

I.3 Micro estructura del hierro gris 14

I.4 Micro estructura de un hierro nodular 18

Capítulo II

II.1 Modelo bipartido 36

II.2 Manufactura del corazón 38

II.3 Corazón 38

II.4 Extracción de una pieza 39

II.5 Modelo de una válvula 40

II.6 Modelo 43

II.7 Molde 49

II.8 Molde en arena verde 50

II.9 Transferencia de calor por convección 53

II.10 Transferencia de calor por conducción 54

ÍNDICE DE FIGURAS

CALCULO DE ALIMENTACIÓN DE PIEZAS FUNDIDAS DE HIERRO COLADO GRIS, POR EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL X

II.11 Transferencia de calor por radiación 55

II.12 Válvula de hierro colado gris 56

II.13 Molde de arena verde 58

Capítulo III

III.1 Curva de enfriamiento 63

III.2 Solidificación de una pieza 66

III.3 Contracción de una fundición 67

III.4 Sistema de alimentación 68

III.5 Nomograma para cálculo del bebedero 74

III.6 Representación sistema de alimentación y válvula 78

Capítulo IV

IV.1 Comparativo de una pieza de fundición 88

IV.2 Mazarota 90

IV.3 Mazarota rechupada 94

IV.4 Rechupe 95

IV.5 Minimazarota 97

IV.6 Alimentación con alimentador aislante 98

IV.7 Brida lateral 99

ÍNDICE DE FIGURAS

CALCULO DE ALIMENTACIÓN DE PIEZAS FUNDIDAS DE HIERRO COLADO GRIS, POR EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL XI

IV.8 Simulación 99

IV.9 Defectos 100

IV.10 Simulación 101

ÍNDICE DE TABLAS

CALCULO DE ALIMENTACIÓN DE PIEZAS FUNDIDAS DE HIERRO COLADO GRIS, POR EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL XII

Índice de tablas

Capítulo I

I.1 Composición del hierro blanco 6

I.2 Características del hierro blanco 7

I.3 Hierros blancos 9

I.4 Características del hierro maleable 10

I.5 Composición del hierro gris 12

I.6 Características del hierro gris 13

I.7 Composición del hierro nodular 16

I.8 Características del hierro nodular 17

I.9 Tipos de grafitos 23

I.10 Tipo de microestructuras de la fundición gris 23

I.11 Contracción durante la solidificación 24

Capítulo II

II.1 Ángulos de salida para un modelo 39

II.2 Pendientes para un modelo 40

II.3 Contracciones volumétricas de metales 41

II.4 Propiedades térmicas de la arena 46

ÍNDICE DE TABLAS

CALCULO DE ALIMENTACIÓN DE PIEZAS FUNDIDAS DE HIERRO COLADO GRIS, POR EL MÉTODO DE SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL XIII

II.5 Permeabilidad para diferentes metales 47

II.6 Propiedades físicas y térmicas del hierro colado 56

II.7 Propiedades térmicas de la arena 57

II.8 Pendientes para un modelo 57

II.9 Contracciones volumétricas en metales 58

Capítulo III

III.1 Dimensiones del basín 72

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