Criterios de diseño - Materiales Ferrosos y sus Aplicaciones

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Materiales Ferrosos y sus Aplicaciones
Criterios para el diseño de piezas fundidas
Posiciones de Moldeo
Una cuestión muy importante a la hora de considerar la fabricación de la pieza fundida será
la posición en que ésta será moldeada. Esto determinará la forma y cantidad de componentes que
arman el molde. En muchos casos, dependiendo de la posición en que se moldee la pieza se
obtendrán disminuciones mas que interesantes en los costos de fabricación pero más importante
aún, en muchos casos realizar ingeniería de moldeo puede ser la diferencia entre poder o no
poder fabricar una pieza con la calidad adecuada.
A continuación mostramos sólo algunas de las distintas posiciones para una misma pieza.
Cada solución tendrá sus ventajas y desventajas intrínsecas y según el caso existirán una o varia
que sean equivalentes.
Fisuras
A causa de las altas temperaturas de colado, las fundiciones ferrosas son particularmente
susceptibles de agrietamiento o rotura en el molde. La contracción total es alta y a temperaturas
críticas la resistencia en caliente y la ductilidad son bajas. Estos defectos pueden ser causados
por influencias externas o por características inherentes.
La única influencia externa de importancia es el efecto del molde, el cual puede impedir la
contracción normal y causar grietas, rajaduras, o alabeo. Pueden reducirse los esfuerzos por
medio de un moldeo prudente o por medio de consideraciones de diseño. A veces se usan
pequeñas barras de amarre para impedir el agrietamiento en zonas críticas, y aquellos miembros
rectos tales como los radios de una rueda pueden ser curvados para reducir los esfuerzos.
Los esfuerzos que surgen de condiciones inherentes son aquellos debidos estrictamente al
diseño y la composición del metal. Las secciones delgadas en las piezas fundidas se enfrían y
contraen mucho más rápido que las partes gruesas. Si tales miembros están rígidamente unidos
entre sí, se desarrollarán esfuerzos elevados al enfriarse a distintas velocidades. Los miembros
pequeños pueden, o bien agrietarse para aliviar los esfuerzos, o deformarse plásticamente sin
agrietarse; si no hay agrietamiento ocurre una deformación al contraerse los miembros más
grandes en tiempos diferentes que los miembros chicos.
El agrietamiento puede aún desarrollarse en barras rectas que no estén sujetas en sus
extremos. Según se enfría y contrae la sección, puede desarrollarse la suficiente resistencia por
fricción entre el molde y el metal como para romperse la pieza fundida. Si la barra es uniforme en
cuanto a su sección, no se desarrollará ninguna región de debilidad en particular, y la barra no se
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agrietará porque la solidificación y la contracción tienen lugar de manera uniforme en toda la
sección.
Sin embargo, si se une otro miembro a la barra recta, se forma un punto caliente y el
patrón de solidificación conduce al agrietamiento en caliente.
La composición del metal influye en las tendencias al agrietamiento de tres maneras:
1- por la resistencia y ductilidad inherentes a temperaturas críticas.
2- por la existencia y duración de las transformaciones sólidas.
3- por la presencia de impurezas, como el azufre en los bordes del grano.
No existen datos cuantitativos extensos que sirvan de guía a los ingenieros diseñadores.
En general, los aceros simples de bajo contenido de carbono y alta calidad resisten el
agrietamiento mejor que los aceros de aleación, y los hierros grises son menos susceptibles que
los hierros de aleación. En las fundiciones de hierro y no-ferrosas, el agrietamiento es usualmente
más un asunto de diseño que de composición.
Solidificación direccional
Los gradientes de temperatura al solidificarse una fundición deben controlarse
favorablemente si se han de hacer fundiciones macizas. El ingeniero diseñador es en gran parte
responsable de la relativa facilidad o dificultad con que el fundidor pueda hacerlo; en ocasiones el
diseño es tan malo que no puede obtenerse una solidificación direccional progresiva adecuada.
Para facilitar su comprensión, se tratarán por separado y discutirán en orden las diversas
consideraciones de diseño.
Las secciones gruesas no pueden alimentarse a través de secciones delgadas. Los
diversos miembros o partes componentes de las fundiciones se unen en las formas de L, Y, T, X,
o V.
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La sección T es la que elegimos aquí para representar la serie. Inscribiendo círculos,
como se ve en la Fig. es fácil determinar que la región cubierta por el círculo d es una masa de
metal más grande que la cubierta por los círculos a, b, o c.
Esto significa que, bajo condiciones de enfriamiento normales, el metal que está en el
centro de la región d es un punto caliente, y el último en solidificarse.
Usualmente no es conveniente ni económico colocar un cargador en este punto, y es
necesario confiar en la alimentación a través de uno o más de los brazos de un cargador colocado
a una cierta distancia. Puesto que los brazos son más pequeños, se enfriarán naturalmente antes
que la zona de unión, estrangulando entonces la alimentación, y desarrollándose un rechupe. La
Fig. muestra diversos métodos de corrección.
Métodos para la
eliminación de un punto
caliente en una sección en
forma de T
1. El diseñador ha de intentar reducir el número de uniones a las menos posibles, y elegir la que
represente menos dificultades; la unión en L, por ejemplo, presenta menos problemas y es más
fácil de tratar que las secciones en Y o en V; la sección L es también más fácil de corregir
únicamente por diseño que cualquiera de las otras. A veces es imposible limitar el número de
uniones, excepto cuando se cuelan segmentos de la pieza y se unen éstos más tarde soldando o
remachando; a veces vale la pena echar mano de este recurso.
2. De ser posible las secciones deben ir ensanchándose hacia el cargador. A menudo debe
hacerse un compromiso con la condición ideal para cumplir requisitos de peso y costo. La Fig.
10.13 ilustra el diseño de una válvula fundida: una de las mitades muestra la situación usual en
que no se haya hecho intento alguno de promover la alimentación por los métodos naturales; la
otra mitad está diseñada correctamente.
3. Las fundiciones cilíndricas son difíciles de obtener como piezas macizas por métodos estáticos;
se hacen mejor por fundición centrífuga. Para hacer fundiciones cilíndricas (de acero o de metales
no ferrosos) carentes de rechupado central por métodos estáticos, es necesario el recurso del
ensanchamiento o algún otro método elaborado. El cilindro puede ser ensanchado y alimentado
de cualquiera de las tres maneras mostradas en la Fig. 10.14.
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Fig. 10.13. Diseño de una pieza teniendo en cuenta la
solidificación direccional (controlada)
Fig. 10.14. Métodos alternativos de compensación de un tubo de fundición para promover una
solidificación direccional
4. Las superficies planas horizontales son indeseables. Las fundiciones con superficies planas son
particularmente difíciles de ejecutar porque es difícil impedir el rechupado central ya que los
gradientes de temperatura no son favorables y la escoria y otras impurezas más ligeras que el
metal tienden a reunirse sobre las superficies planas. Siempre que sea posible es mejor tener
superficies curvadas o hacer fundiciones en que sus superficies planas sean o verticales o
inclinadas con respecto a la horizontal.
5. Deben evitarse los puntos calientes aislados. Corazones pequeños o bolsas de arena rodeadas
de metal, reducen la velocidad de enfriamiento en comparación con regiones más abiertas. Si no
se proveen medios especiales para enfriar (templaderas) o para alimentarlas, éstas regiones, se
rechuparán o agrietarán con toda seguridad.
Flujo del metal
Los espesores mínimos que se pueden lograr son una función de la composición del metal.
En general, las fundiciones en arena de hierro gris y de aleaciones a base de aluminio, de
magnesio, y de cobre no deberán diseñarse en secciones menores de 3.5 mm de espesor cuando
las piezas sean muy pequeñas, o no menos de 5 a 6 mm cuando las piezas son grandes; las
fundiciones de acero, cuando son pequeñas, no deberán ser nunca menores de 6.5 mm de
espesor, y, de ser grandes, no menos de 13 mm de espesor. Los hierros que contengan de 0.5 a
1.0% de fósforo llamados hierros de estufa) pueden ser a veces tan delgados como 1.5 mm; son
un ejemplo los radiadores para calefacción central.
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Estas consideraciones son conservadoras y se aplican solamente a la práctica promedio
de fundición en arena; los nuevos métodos de fundición amplían enormemente el campo para las
fundiciones más delgadas, pero ello constituye un capítulo especial.
Factores de seguridad
Los factores de seguridad empleados en el diseño de fundiciones pueden reducirse a
menudo. Los ingenieros emplean usualmente factores de seguridad elevados, con frecuencia de 3
a 1, cuando las fundiciones son para aplicaciones estructurales críticas. Las propiedades
mecánicas de las piezas macizas, hechas con propiedad con metal bien fundido, son comparables
a las de los materiales forjados. A menudo se hacen comparaciones desfavorables entre las forjas
y las fundiciones bajo la base de partes que no son tan susceptibles de fundición como de forjado.
Con los métodos de inspección de que se dispone corrientemente y con la práctica mejorada en el
taller de fundición no hay ninguna necesidad de emplear una fundición defectuosa en una
aplicación estratégica.
Bajo costo
Después de haber estudiado los dibujos y de haber fijado en la mente un diseño, todavía
queda el problema de la construcción del modelo. Los problemas de la manufactura de modelos
deberán ser del conocimiento del diseñador, (antes de fijar el diseño) cuando menos hasta el
punto de determinar lo que puede ser alterado para hacer más económica la construcción del
modelo. Es mucho esperar que un diseñador sea un modelista dotado. Nuevamente, la
experiencia práctica es la mejor guía en la imposibilidad de formular reglas rigurosas; pero parece
deseable recalcar la importancia del diseño en los costos del modelo. El número de operaciones
necesarias para hacer moldes y noyos y para armarlos para dar por resultado una fundición está
determinado por el diseño; también puede hacerse mucho en el tablero de dibujo para reducir al
mínimo el número y complejidad de los noyos necesarios. La manufactura y la colocación de los
noyos son operaciones caras.
Para la mayoría de los ingenieros diseñadores su problema termina cuando el trazado final
va al taller; sería excelente idea que pudiera seguir sus creaciones a través de todas las etapas
hasta la fundición final.
Modelos
Tanto el productor como el consumidor de fundiciones podrían ahorrarse inconvenientes y
dinero si ellas pudieran hacerse a una escala tan precisa como puede hacerse un modelo de
plástico o de madera; aun el ingeniero o el fundidor mejor entrenado pierden detalles importantes
en el diseño cuando todo lo que ven es la copia de un dibujo. Pueden predecirse las zonas de
rechupe en potencia y/o de agrietamiento, así como colocar juiciosamente las coladas y los
cargadores sin hacer uso de tanteos, y obtener un ahorro de dinero en los cambios en la
construcción de modelos antes de hacerlos; si es necesario, puede hacerse una pieza a tamaño
de modelo y cortarla para su inspección, con vistas a determinar problemas de fundición
potenciales. Haciendo modelos seccionales, cada parte de la pieza puede ser estudiada y hacer
sobre ellas decisiones importantes. Los plásticos transparentes son excelentes para el trabajo de
modelado; también puede usarse arcilla de modelar para simular protuberancias y otras
características importantes.
Se han hecho ya un gran número de modelos que prueban las ventajas de este
procedimiento.
Resumen
El buen diseño de una fundición debe responder satisfactoriamente a estas preguntas:
¿Permite una manufactura económica por los métodos standard?
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¿Pueden colocarse los cargadores y otras dependencias tales como coladas y templaderas a
manera de conseguir solidez?
¿Pueden reducirse al mínimo los esfuerzos potenciales de enfriamiento por medio de un diseño
más sencillo?
¿Se promueve la solidificación direccional?
Entre las reglas específicas para un diseño satisfactorio están:
Reducir los esfuerzos limitando los cambios bruscos en el espesor.
Utilizar solidificación direccional hacia los cargadores
Evitar secciones delgadas entre los cargadores y las secciones gruesas
Evitar superficies planas y horizontales extensas
Evitar puntos calientes aislados que hagan difícil la alimentación
Criterios geométricos
Unión a 90° de igual espesor (izq.) y de
distinto espesor (der.)
Si el ángulo exterior debe ser recto por
necesidades constructivas o de diseño,
entonces se deben seguir las
indicaciones de la figura
Caso de uniones en V
Influencia de los ángulos vivos. Aquí vemos
dos acometidas que generan rechupes y
puntos calientes, pero la solución izq. es
mucho peor que la derecha
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Acometidas en T: Se recomienda ensamblar la menor cantidad de elementos posibles en una
misma zona para no favorecer la acumulación de masa metálica.
Trazados incorrectos
Trazados correctos
Acometidas en Y:
Nervaduras y refuerzos: Deben
evitarse en lo posible las
acumulaciones de masa como en
figura izq., y siempre serán
preferibles soluciones como la
figura derecha.
Moldeo
la
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Distribución de refuerzos: El trazado de la derecha es mucho mejor que el inicial en lo que hace
a esfuerzos internos remanentes por la solidificación.
Ej. de
mejora de un diseño.
El volante de la figura se
puede mejorar curvando los
brazos para darles flexibilidad
enfriarse. Además,
colocándole un numero impar
brazos se mejora la simetría
los esfuerzos de
solidificación. Todo esto para
hacer la pieza mas flexible y
permitir las distorsiones que
provoca el enfriamiento sin
fisurarse.
Empalmes:
Dependiendo del caso,
hará necesaria la
utilización de diferentes
soluciones como las
mostradas en esta figura.
Manteniendo en todo
momento la sección lo
mas constante posible.
Moldeo
al
de
en
se
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Ejemplo de una bancada de maquina
herramienta. Las secciones de los patines
deben unirse a las paredes mas finas en forma
progresiva para evitar puntos calientes y
rechupes.
Moldes y noyos
En la figura podemos ver un corte de un molde completamente montado y listo para colar.
El n°1 es un noyo interno típico, que va a formar luego de solidificada la pieza, un hueco interior.
Los n°2 y 4 son noyos exteriores.
Los n° 3 y 5 son noyos exteriores que hacen las veces de soporte de centrado al noyo n°1.
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Cuantas menos piezas posea un molde, mas sencillo y barato será armarlo y utilizarlo. Por lo tanto
solo deben aplicarse los noyos exteriores en los casos donde no sea posible en ninguna posición
de moldeo la utilización de moldes sobre y bajero enterizos o en piezas de formas muy complejas.
Caja sobre
Noyo
Caja bajera
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Procesos de Moldeo
Shell-Moulding
1. Por rotación, la placa modelo se cierra
formando la tapa del contenedor de arena y
resina termoendurecible.
2. Luego de voltear el conjunto, la arena y la
resina toman contacto con la placa modelo
precalentada a 300°C. Entre 20 y 30 seg.
después se forma una cáscara de algunos mm
de espesor sobre el modelo con la forma de
este.
El conjunto vuelve a su posición inicial,
dejando caer la arena y resina que no se
utilizaron de vuelta en el contenedor. Luego
sobre el modelo ha quedado adherida una
cáscara con la forma de este.
4. Se retira la placa modelo sobre la que está
adherida la cáscara y esta queda visible.
5. Mediante la aplicación de calor, se termina
de endurecer la cáscara formada para
garantizar su resistencia mecánica.
6. Luego se extrae el molde formado mediante
un sistema de extractores que lo separan de la
placa modelo.
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A la cera perdida
1. Realización de los modelos mediante la
inyección de cera en moldes metálicos.
2. Ensamble de los modelos de cera en
racimos para producción seriada.
3. Inmersión de los racimos en un baño fluido
de arenas refractarias, que se adhieren a
éstos formando un costra de varios mm de
espesor. El proceso se repite hasta lograr el
espesor adecuado.
4. Luego de endurecerse la capa de
refractario, se calienta el conjunto para fundir
la cera y dejar la cáscara hueca con la forma
de los racimos de piezas.
5. Colado de la aleación en estado líquido
dentro del molde, se deja enfriar al aire.
6. Separación de las piezas y control
dimensional.
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Al Modelo perdido
1. Confección del modelo en telgopor con su
sistema de alimentación incluido.
2. Se coloca el modelo dentro de la caja
única, sin noyos y con arenas refractarias
prensadas en frío.
3. Colado de la pieza directamente sobre el
modelo de telgopor. Éste se ira quemando y
dejando en su lugar a la aleación con la
forma de la pieza.
4. Luego del desarme del conjunto, se
obtiene la pieza sin uniones ni costuras por la
ausencia de uniones en el molde.
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Con placa modelo
1.Colocar la placa modelo dentro de la caja
del semi molde superior (sobre).
2. Se rellena con arena refractaria y se
compacta para lograr un mejor copiado del
modelo.
3. Una vez endurecida la arena, se retira el
semi molde superior (sobre) con el canal de
colada ya abierto.
4. Se realiza idéntica operación pero con el
semi molde inferior (bajero), para lograr el
molde completo.
5. Se colocan los noyos si los hubiera y se
montan ambas partes con ayuda de las guías
de centrado. Luego se cuela la aleación
fundida.
6. Luego de la solidificación, se retira la
arena del molde y se obtiene la pieza.
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En maquina automática
1. Los moldes se comprimen en la cámara de
moldeo con alimentación automática de la
arena. La placa rebatible y la cabeza del
pistón, dan a la arena la forma de la pieza en
cada cara.
2. El molde de la pieza esta constituido por
dos
moldes
consecutivos
apoyados
fuertemente uno contra el otro
3. En caso de ser necesario, la maquina esta
preparada para permitir la colocación
automática in situ de los noyos.
4. Cada nuevo molde es llenado por el
sistema automático de colado que los hace
avanzar en fila por una pista de colado.
Luego de la solidificación, se desmoldan.
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Manual con modelo suelto
1. Se coloca el modelo y el sistema de
alimentación sobre la mesa de trabajo dentro
de la caja bajera.
2. Se echa la arena hasta cubrir
completamente el modelo y se prensa.
3. Se voltea la caja bajera y se extrae el
canal de colado.
La caja sobre se coloca en posición con la
ayuda de las guías y se llena con arena.
4. Una vez endurecida, se desmolda y se
extrae el modelo.
5. Terminación del molde.
6. Cierre del molde y colado del metal
fundido. Luego desmolde de la pieza.
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