Propiedades y proceso en moldes desechables

Predicción del tiempo
de solidificación
La cantidad de calor a ser removida es
directamente proporcional a la cantidad de
supercalor y a la cantidad de material.
La habilidad de remover calor está
directamente relacionada con el área total
disponible para disiparlo.
El tiempo de solidificación es función del
volumen de material, el área de superficie y
las características del molde.
Proceso de enfriamiento en un
metal puro
Material comienza a solidificarse
en la periferia del molde
Los granos son pequeños
debido a que el metal se
enfría rápidamente cerca
de las paredes el molde,
Proceso de enfriamiento en un
metal puro
Material líquido
Proceso de enfriamiento en un
metal puro
Crecimiento dendrítico
Los granos restantes son
aplastados. El crecimiento
es desde las paredes hacia
el centro.
1
Los componentes de la
aleación se segregan.
Esto influye en las propiedades
del componente ya que la
pieza es más rica de un
componente en una región que
en otra.
Algunos procesos son
mejores que otros en evitar
esta situación.
Curva de enfriamiento para un
metal puro
Tp = Temperatura de derrame
temperatura
Proceso de enfriamiento en
una aleación
Tp
Tm = Temperatura de solidificación
Tm
∆t1
tiempo
Curva de enfriamiento para un
metal puro
Regla de Chvorinov
temperatura
∆t1 = tiempo para bajar a Tm
Tp
= tiempo de solidificación
∆t 2 local (TST en la Regla de
Chvorinov)
Tm
∆t1
∆t2
tiempo
dónde:
V
t s=C m  
A
n
ts = tiempo de solidificación local
V = volumen del material
A = área de superficie disponible para disipar
el calor
Cm = Constante del molde
n = índice de Chvorinov (usaremos n = 2)
2
Quizz/10/sp
Ejemplo de diseño de “risers”
v = 2gh
6p
15p
Datos:
3”
2”
V=8.97pie/seg
8”
4p
Los “risers” evitan que la pieza sufra
el problema de cavidad por
encogimiento
Tenemos un “riser” en forma de cilindro.
Se debe tardar 1.5 veces en solidificar con
relación a la pieza.
El “riser” está separado de la pieza.
El cómputo del área de superficie del “riser”
y la pieza depende de la posición del “riser”:
Separado de la pieza
Sobre la pieza
3
Análisis
Análisis: cómputos
relacionados con la pieza
tsriser = 1.5 tspieza
n
n
V
V
t spieza=C m  
t sriser =Cm  
 A pieza
 A riser
n
n
V
V
Cm  
= 1.5 Cm  
 A  riser
 A  pieza
3”
2”
V = 2 ⋅ 3 ⋅ 8 = 48 pulg3
8”
A = 2 ⋅ ( 2 ⋅ 3 ) + 2 ⋅ (2 ⋅ 8 ) + 2 ⋅ ( 3 ⋅ 8 ) = 92 pulg2
n
V n
 V
= 1. 5  
 
 A  riser
 A pieza
V
48
=
= 0. 5217pu lg
A pieza 92
V
 V
= n 1.5  
 
A
  riser
 A pieza
Análisis: Cómputos
relacionados con el “riser”
Identificar las variables
Derivar ecuaciones
V=
πD2H
4
D
riser separado de H
la pieza
A = π D2∗ 2 + πDH
4
 πD2H 


 4 
DH
V

 = DH
=
=
D
D
A π D2 + πDH 4 + H  (2 + 4 H )


2
2

V
 V
= n 1.5  
 
 A  riser
 A pieza
D
H
DH
 V
=
 
A
2
D
  riser ( + 4H )
V
= 0 .5217pu lg
 
 A pieza
Tenemos dos variables y
DH
n
= 1. 5 ∗ 0. 5217 una ecuación
(2 D + 4 H )
4
V
V 
= n 1. 5  
 
 A  riser
 A  pieza
DH
V 
=
 
 A  riser ( 2D + 4H)
 V
= 0.5217pu lg
 
 A  pieza
DH
=n
∗
Conversión
D
H
Tenemos dos variables y
Es necesario realizar una conversión de
variables para simplificar los cómputos.
Podemos definir r = D/H y re-escribir la
ecuación en términos de ésta:
D = r ∗H
r
 D ∗H
 1  DH


 H
=  H r  = (r ∗ H )
 1  (2D + 4H )  D
H  (2 r + 4)
 H
2 + 4 
H
H

Propiedades del material que
influyen en el proceso
Viscosidad
La mayoría de los metales
cuando se encuentran
sobre la temperatura de
fundición se comportan
como fluidos Newtonianos.
Esto significa que la
viscosidad aumenta de
acuerdo al grado de
supercalor.
r ∗H
= n 1. 5 ∗ 0. 5217
(2r + 4)
Tomando n=2 (valor típico):
r ∗H
= 0.6389
(2r + 4 )
Para resolver el problema
podemos presumir un valor
para r y despejar por H.
Digamos que r = 0.75,
entonces:
0.75 ∗ H
= 0. 6389
(1.5 + 4)
5.5 
H = 
0. 6389
0
 .75 
H=4.685 pulg
D = r ∗ H = 0.75 ∗ 4.685 = 3.514 pu lg
Propiedades del material que
influyen en el proceso
Viscosidad
Tensión de
superficie
Cuando es necesario que el
metal derretido fluya por
canales estrechos la tensión
de superficie es
significativa.
Esto resulta en la
imposibilidad de llenar
esquinas afiladas.
5
Propiedades del material que
influyen en el proceso
Viscosidad
Tensión de
superficie
Fluidez
Es la habilidad de un
material para llenar al
molde.
Depende del material y el
molde.
Aumenta de acuerdo al
grado de supercalor ya que
se reduce la viscosidad y
con aumento en la
temperatura inicial del
molde.
Agenda
Objetivos
Introducción
Flujo de fluido y transferencia de calor
Procesos de fundición para materiales
metálicos
Guías para el diseño de moldes
INME 4055
La Tabla 7-2, página 196 consiste
de las propiedades de algunos
materiales para fundición.
INME 4055
Actividades durante el proceso
de fundición de metales
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Materia prima
Especificaciones
del componente
Derretir material
Producción del
molde
Control y corrección
de la composición
Vertir material
derretido
Solidificación
Remoción del molde
Derretido y derrame
El proceso de
derretido requiere
un buen control de
la composición así
como reducir el
impacto de los
contaminantes y la
oxidación.
Las inclusiones y las
burbujas de gases
atrapados afectan la
calidad del producto
y sus propiedades.
Limpieza,
inspección
Un esquema alterno los clasifica en
base al propósito del fundido
Comparación de los tipos de
moldes
Desechable
Fundición de lingotes
n
n
Se preparan piezas para trabajarlas luego
mediante otros procesos.
Alrededor del 85% se procesa de esta forma.
flexible
económico
sencillo
Permanente
+
Re-derretido de lingotes
n
Es la preparación de lingotes para procesarlos en
otras fábricas.
Fundición con forma
n
La pieza se hace en su forma final en un molde.
limitada calidad de
superficie
necesita fabricarse cada
vez
re-utilizable
buen terminado de
superficie
gran razón de
producción
mejor control de
solidificación
límite en la variedad de
materiales a echarse en
el molde
costoso
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Etapas en el diseño de moldes
Otros elementos relacionados
con el molde
Calcular volumen y peso del fundido.
Diseño de correderas y “risers”.
Selección del tiempo de derrame
Diseño de alimentadores para suplir los
moldes de la mejor forma posible.
Pasos en la producción de
moldes de arena
Arena
moldes de arena tradicionales
moldes acorazados
moldes con patrones desechables
moldeo por inversión (“investment
casting”)
Modelo que se
utiliza para producir
un molde
Debe proveer para el
encogimiento.
Metal
Procesos de moldes
desechables
patrón
Fabricar
“core”
Fabricar
patrón
Solidificación
y enfriamiento
Preparar
arena
Fabricar
molde
Remoción
del molde
Derretir
metal
Llenar
molde
Limpieza e
inspección
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