ALIMENTACIÓN DE LAS PIEZAS FUNDIDAS

1. ALIMENTACIÓN DE LAS PIEZAS FUNDIDAS ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

2. Solidificación en el molde. Los principales fenómenos que se desarrollan en el metal desde la colada hasta temperatura ambiente son los siguientes: • Cambios volumétricos: • En estado líquido ; • Durante la solidificación ; • En estado sólido. • Macro y micro segregaciones: Solo en aleaciones.-La composición de los productos fundidos no es homogénea. ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

3. Solidificación en el molde. • Aparición de macroestructuras de solidificación. Caracterizadas por granos grandes orientados de acuerdo a la extracción del calor y con distintas morfologías ( columnar, equiaxial. etc.) • Aparición de micro porosidades. Asociadas a la morfología de la solidificación dendrítica. ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

4. Solidificación en el molde. • Debido a lo anterior debemos considerar que : • Los productos fundidos son MATERIALES DE INGENIERIA. • Debido a que en el proceso de enfriamiento en el molde no hay deformación plástica en estado sólido, no es posible eliminar la microporosidad asociada a las dendritas ni la macro segregación y los macro granos formados en la solidificación . • La estructura de los granos de solidificación dependerá de: • Sistema de aleación ( metal puro, eutécticos, etc.) • Composición química (fases presentes) • Temperatura de colada (gradiente de enfriamiento) • Tipo de molde (extracción de calor) • Tamaño y espesor de la pieza (cantidad de calor) ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

5. Solidificación de las aleaciones • Desde la temperatura de colada hasta temperatura ambiente, las aleaciones experimentan tres contracciones volumétricas: • En estado líquido, desde temperatura de colada hasta temperatura del liquidus. • En estado pastoso, entre temperaturas de liquidus y solidus. • En estado sólido, desde temperatura del solidus a temperatura ambiente. La contracción sólida debe ser absorbida por sobremedidas en el modelo, mientras que la líquda y pastosa por los montantes. ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

6. Reducción de nivel debido a la contracción líquida Nivel inicial de líquido Solidificación inicial en la pared del molde Metal líquido Reducción de nivel debido a la contracción durante la solidificación Contracción en estado sólido Cavidad de contracción (Rechupe) Metal líquido Metal sólido Contracción en la Solidificación ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

7. Los metales puros y los aceros de bajo % de Carbono solidifican de esta forma debido a su pequeño o nulo rango de solidificación. Metal Sólido DVL D Vsolidif. D Vsólido Sobrecalentamiento º T Metal Líquido TS Líquido Isoterma Ts Sólido Solidificación por CAPAS FINAS (solidificación plana) Solidificación METALES PUROS Y EUTÉCTICOS ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

8. Solidificación por CAPAS GRUESAS Todas las aleaciones que no presentan eutéctico: Ni-Cu, Cu-Mn, Ag-Pb, etc. Metal pastoso Metal Líquido Metal Sólido DV D VL DVsolidif. DVsólido Sobre- calentamiento Intervalo de Solidificación TC TF ºT Líquido Isoterma Tc Metal pastoso Isoterma Tf Sólido Solidificación de ALEACIONES SIN EUTÉCTICOS ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

9. Sobre- calentamiento Intervalo de Solidificación Metal Líquido Metal pastoso D V Metal Sólido Solidificación por CAPAS GRUESAS (las aleaciones que presentan eutéctico pero con intervalo de solidificación amplio). D VL D Vsolidif. DV sólido TE º T TC Líquido Isoterma Tc Metal pastoso Isoterma Tf Sólido Solidificación de ALEACIONES CON EUTÉCTICOS ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

10. Efecto del Rango de Solidificación ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

11. Efecto del Rango de Solidificación ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

12. Efecto del Rango de Solidificación ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

13. Efecto del Rango de Solidificación ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

14. Rango de Solidificación ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

15. Rango de Solidificación ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

16. Control de los Rechupes Los rechupes y poros generados en la solidificación de los metales deben ser controlados para obtener una pieza con los requerimientos técnicos solicitados. Para ello se debe: • Llevarlos hacia el montante, con lo que quedan fuera de la pieza. • Minimizarlos y llevarlos a una zona de la pieza en la que no afecten a sus propiedades. ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

17. Control de los Rechupes Las técnicas mas utilizadas para lograrlo se basan en aprovechar la SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL: Se diseña el sistema de llenado y alimentación de manera que los frentes de solidificación confluyan hacia el o los montantes. Este efecto se puede agudizar con la ayuda de enfriadores y aislantes, como se puede ver en las figuras siguientes: ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

18. Control de los Rechupes ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

19. Control de los Rechupes ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

20. Molde Metal Tx x x Módulo de Enfriamiento. 1.- RELACIÓN DE TEMPERATURAS ENTRE EL MOLDE Y EL METAL. Siendo: Tx : Temperatura del molde a una distancia “x” desde la superficie en contacto con el metal. To : Temperatura inicial del molde. T1 : Temperatura inicial del metal = T col. α : Difusividad térmica del molde. Km: Conductividad térmica del molde. t : Tiempo desde el vaciado del molde. Entonces: ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

21. O sea: Módulo de Enfriamiento. 2.-CANTIDAD DE CALOR A DISIPAR. ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

22. 1 2 Módulo de Enfriamiento. 3.-TIEMPO DE SOLIDIFICACIÓN. Desarrollando las expresiones (a) y (b) se obtiene: El término ( 1 ) queda determinado para un sistema metal – molde específico a colar, pues quedan fijos los parámetros de la aleaciónρmetal, Lmetal, Tsolid., Cpmetal y los del moldeαmolde, Kmolde y T0y se le denomina como factor“B” . ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

23. Módulo de Enfriamiento. Para un caso específico, conociéndose además la temperatura de colada Tcol. , Bse puede determinar en forma empírica, pues: Este término ( 2 ) depende exclusivamente de la geometría de la pieza a fundir, o a la parte de ella que se esté considerando. Corresponde la razón entre el volumen considerado y la superficie que lo limita y que participa en la extracción de calor durante el enfriamiento desde la temperatura de colada. A esta relación ( V/A )se le llamaMODULO DE ENFRIAMIENTO ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

24. Módulo de Enfriamiento. • Mientras mayor sea el Módulo, mayor será el tiempo de solidificación, debido a una menor velocidad de enfriamiento motivada por una superficie de extracción de calor pequeña en relación al volumen por ella encerrado. • Por lo tanto, el tiempo de solidificación no depende solo del volumen de la pieza, sino de su relación respecto a la superficie que lo circunda y que participa efectivamente en la extracción del calor. • Debido a ello, las piezas mas compactas solidifican mas lentamente que las piezas mas extendidas o con mas superficie respecto a su volumen. ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

25. Módulo de Enfriamiento. • El Módulo de Enfriamiento es una herramienta tremendamente eficaz para predecir el orden de solidificación de una pieza dentro del molde, lo que permitirá diseñar el sistema de alimentación de metal líquido necesario para abastecer la disminución de volumen durante el enfriamiento desde la temperatura de colada y su solidificación, de manera de obtener las piezas sanas. • El Módulo de Enfriamiento tiene una dimensión lineal y no tiene ningún valor en si mismo, sino que su utilidad está en la comparación entre los módulos de los distintos sectores de una pieza o con el módulo de los montantes, pues las zonas con mayor módulo solidificarán después que las de menor módulo. ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

26. 4 A Ø 8 10 4 12 A 60 16 4 Corte A - A Módulo de Enfriamiento. Lo anterior quedará manifiesto en el siguiente ejemplo: Considérese la siguiente pieza : Con las siguientes medidas: ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

27. I Superficies de contacto que no participan en el enfriamiento II III Módulo de Enfriamiento. Se puede suponer compuesta de tres piezas separadas ( I, II, III ), siempre y cuando no se consideren las superficies de contacto entre ellas en el cálculo de cada módulo individual, ya que obviamente no participan en la extracción de calor durante el enfriamiento. ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

28. Módulo de Enfriamiento. Módulo de los sectores individuales. Suponiendo medidas en (cm): 1.- Sector I : V = π/4 x 82 x 10 = 503 [ cm3] A = π x 8 x 10 + π/4 x 82 = 301.6 [cm2] MI = 503 / 301.6 = 1.67 [cm] ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

29. Módulo de Enfriamiento. 2.- Sector II : V = 16 x 4 x 60 = 3.840 [ cm3] A = 2x16x60 + 2x4x16 + 2x60x40 - 4x60 - π/4 x 82 = 2237.7 [cm2] MII=3.840 / 2237.7 = 1.72 [cm] 3.-Sector III : V = 4x12x60 = 2.880 [ cm3] A = 2x4x12 + 4x60 + 2x12x60= 1.776 [cm2] MIII= 2.880 / 1.776 = 1.62 [cm] ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

30. I Dirección de la solidificación II III Módulo de Enfriamiento. Por lo tanto, termina de solidificar primero el sector III, luego el I y posteriormente el II. Debido a su geometría, para obtener sana la pieza el sector I debería tener un módulo sobre 1.72, o colocar depósitos de metal líquido (montantes) sobre el sector II para alimentar la contracción, pues solidifica al final. ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

31. a Módulo de Geometrías Comunes. ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

32. Módulo de la Almas CONTRIBUCIÓN DE LAS ALMAS AL ENFRIAMIENTO • El grado de participación de las almas en el enfriamiento depende de la cantidad de metal líquido que la rodea en relación a su espesor de arena. • Mientras menor sea el espesor de arena y mayor la cantidad de metal que la rodea, menor será la participación del alma en el enfriamiento debido a su mayor aumento de temperatura, pudiendo incluso llegar a retardarlo, provocando problemas en el orden de solidificación que pueden provocar la formación de rechupes y grietas por desgarros en estado pastoso o recién solidificado, situación en la que el metal no tiene la resistencia suficiente para soportar los esfuerzos generados por su contracción. ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

33. Módulo de la Almas El siguiente gráfico da el % de la superficie del alma a considerar en el módulo de enfriamiento, según la relación entre el espesor del alma y el del metal que la rodea ( d/e) : ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

34. Sistemas de Alimentación • El Sistema de Alimentación debe definir el modo de llenado del molde, la ubicación de la canalización que introducirá el metal a la cavidad y la ubicación de los alimentadores o montantes. • Depende de la aleación a colar: • Según su modo de solidificar => rango de solidificación. • Afinidad con el Oxígeno => Grado de oxidabilidad. • En el siguiente cuadro se muestran los cuatro sistemas básicos de alimentación: ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

35. Sistemas Básicos de Alimentación ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

36. ALIMENTACIÓN DE LAS PIEZAS FUNDIDAS • Se entiende como ALIMENTACIÓN al suministro de metal líquido una vez llena la cavidad del molde. • Es necesaria para compensar la contracción en volumen que ocurre durante el enfriamiento en estado líquido y luego durante la solidificación. • Sin este suministro, la contracción se presentará en el interior de la pieza en cavidades llamadas RECHUPES que la inutilizará. ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

37. MONTANTES (RISERS) • Son los receptáculos de metal líquido dispuestos en el molde para asegurar la Alimentación de la pieza. • Para asegurar su función deben: • Ubicarse de manera adecuada.- Radio de acción debe cubrir toda la pieza; • Contener suficiente metal para alimentarla.- Volumen de acuerdo a la contracción de la pieza; • Solidificar después que la pieza o zona que alimenta.- Módulo adecuado; • Tener el mínimo tamaño sin afectar su función ($$$). ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

38. De arena. Aislados. TIPOS de MONTANTES Rechupe de Contracción Camisa aislante Arena del Molde (Manguito) Eficiencia: 10 – 15% Eficiencia: 70 – 75% Pueden ser abiertos, cubiertos con Polvos Exotérmicos o ciegos. ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

39. Abierto y manguito aislante Abierto y pared de arena minutos minutos Polvo exotérmico y manguito aislante Polvo exotérmico y pared de arena minutos minutos EFICIENCIA DE LOS MONTANTES Como deben solidificar después, la importancia de la aislación queda evidente al comparar los tiempos de solidificación de un cilindro de 250 mm de diámetro y 200 mm de alto moldeado en diferentes condiciones: ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

40. El Radio de acción de un montante ( F ) es la distancia, desde su diámetro exterior hasta el límite en que puede alimentar la contracción líquida, mas allá de la cual aparecerán los rechupes por haberse cerrado el paso al metal líquido provisto por él. 1.- UBICACIÓN.- RADIO DE ACCIÓN Montante F Rechupe T ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

41. RADIO DE ACCIÓN F depende de: • EspesorT de la pieza; • Capacidad de extracción de calor del molde o zona del molde considerada: puede ser alterada por su geometría y por la colocación de enfriadores; • Aleación a fundir: se debe considerar el diferente modo de solidificación de las aleaciones ( su rango de solidificación, dilatación del grafito y presencia de eutécticos ), aplicando un Factor de Corrección a las que se desvían de las de rango estrecho para las que se establecieron las fórmulas (fundiciones grises, nodulares y algunas no ferrosas). ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

42. nT Todas las medidas en [ in ] T RADIO DE ACCIÓN • Para el cálculo de “F” se consideran cuatro situaciones típicas, las que solas o combinadas permiten estimar hasta donde será efectivo el sistema de alimentación. • En este método, todas las medidas deben estar en (pulgadas), por lo que F también estará en (in). • En las tablas siguientes, “T” es el espesor mínimo de la pieza y el ancho es “n x T”.- Los resultados son interpolables para ancho y espesores intermedios. ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

43. A.- Secciones con efecto de borde, sin enfriador. F Montante Pared del molde T ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

44. F Montante Montante T B.- Secciones sin efecto de borde. ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

45. 2/3 T min. F Montante Enfriador T C.- Secciones con efecto de borde y enfriador. ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

46. Montante Montante Montante Montante F F T T 1/2 T min. 1/2 T min. Enfriador Enfriador 1 T min. 1 T min. D.- Secciones sin efecto de borde y enfriador. ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

47. ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

48. Para Fundición Nodular o dúctil Para Fundición Gris FACTOR DE CORRECCIÓN DE “F” ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

49. FACTOR DE CORRECCIÓN DE “F”Para Aleaciones No Ferrosas F corregido= F x FD ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM

50. EJEMPLO # 1 • 1.- Consideremos un bloque de 16x8x4 (in) con un montante de diámetro M. • Corresponde a una placa T x 2T ( 4 x 8 ) con efecto de borde y sin enfriador (caso A) , por lo cual: • Esto significa que cualquiera sea el diámetro del montante y su ubicación, la pieza será totalmente alimentada pues queda sobradamente dentro del círculo de diámetro 2x17.9 + M. ALIMENTACIÓN ILC-310 FUNDICIÓN UTFSM