Universidad Nacional Experimental Politécnica“Antonio José de Sucre”

Vicerrectorado BarquisimetoDepartamento de Ingeniería Metalúrgica

Sección de Metalurgia FísicaFundición

Integrantes:

Luis González C.I: 16538352Richard Varela C.I: 19571165 Jesús A. Daló C.I: 20044010

Sección 01

INTRODUCCIÓN

El Proceso de solidificación para el ingeniero de fundición es muy importante, conocer cómo progresa la solidificación y cuál es su secuencia dentro de la pieza, porque esa información permite diseñar adecuadamente tanto las mazarotas como el sistema de entradas al molde, lo que le concede conseguir productos sanos y libres de rechupes. Para ello, debe entenderse la escala de los eventos que suceden durante la cristalización de las piezas en los diferentes metales y aleaciones, porque durante esos eventos hay fenómenos físicos y dinámicos de crecimiento, estrechamente acoplados al flujo de calor, a la convección en el líquido, y a la redistribución de especies en la escala del sistema que solidifica.

Al descender la temperatura, el metal que ha sido vaciado dentro de un molde se contrae en tres etapas diferentes en orden descendente de temperatura desde la de vaciado, son: Contracción en el líquido; Contracción líquido-sólido; y Contracción en el estado sólido.

En esta práctica nos interesan los defectos y fenómenos producidos por las dos primeras etapas. Donde la contracción líquida puede producir una falta de llenado. La contracción de solidificación es donde precisamente se producen los rechupes, micro-rechupes y segregaciones.

Para estudiar estos fenómenos se lleva a cabo la elaboración de una serie de piezas donde se varía la ubicación del sistema de colada, sistema de alimentación y colocación de enfriadores según sea el caso de la pieza. Esto con la idea de estudiar donde es más pronunciado los rechupes, con que configuración se traslada más efectivamente el rechupe hacia la mazarota y en qué casos la pieza presenta mayor cantidad de defectos de fundición debido a la contracción en líquido y de solidificación.

MARCO TEÓRICO

Rechupes:

Este defecto es una depresión de la superficie o un hueco interno en la fundición debido a la contracción por solidificación que restringe la cantidad de metal fundido disponible en la última región que solidifica, es decir, la de mayor módulo de enfriamiento de la pieza.

Los rechupes pueden clasificarse en: Rechupe externo. Rechupe Interno. Rechupe Principal. Rechupe de Ángulo. Micro-rechupe.

Los rechupes ocurren frecuentemente en la parte superior de la pieza fundida, aunque también pueden presentarse en ángulos, juntas calientes, zona interna de la pieza; el problema se puede resolver frecuentemente con el uso de mazarotas diseñadas correctamente, un buen diseño de la pieza con cambios de sección progresivos y radios de curvatura, enfriadores en los ángulos, aumento de la velocidad de solidificación para mitigar los micro-rechupes, entre otras soluciones.

Enfriadores:

Al localizar las secciones de la fundición con mayores relaciones módulos de enfriamiento 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 dispersadores de calor, que pueden ser internos o externos que causan un, enfriamiento rápido en ciertas regiones de la fundición que tienden a acumular calor. Los enfriadores internos son pequeñas partes de metal igual al que se va a colar colocadas dentro de la cavidad antes del vaciado, cuyo objetivo es que el metal fundido solidifiqué primero alrededor de estas partes. El refrigerante interno debe tener una composición química igual a la del metal que se vacía. Esto se logra fabricando el enfriador del mismo metal que la fundición.

Los enfriadores externos son insertos metálicos en las paredes de la cavidad del molde que remueven el calor del metal fundido más rápidamente que la arena circundante, a fin de promover solidificación. Se usan a menudo en secciones de la fundición que son difíciles de alimentar con metal líquido, el cual encuentra así un enfriamiento rápido que lo hace solidificar en estas secciones mientras la conexión con el metal líquido está todavía abierta.

Mazarotas:

Son el elemento principal de los sistemas de alimentación y es como se conoce en fundición y metalurgia a los depósitos de metal fundido que se colocan en los sitios del molde que son críticos, es decir, que tienden a generar rechupes; estas aportan metal fundido para evitarlos y absorben en su masa estos defectos.

Es posible calcular con relativa precisión la posición de estas mazarotas mediante tablas, después se calculará el volumen de la mazarota por medio del cálculo del módulo de enfriamiento de la mazarota, su masa, o directamente con la ecuación de Chvorinov.

La mazarota se puede diseñar en diferentes formas. Pueden diseñarse una mazarota lateral que está anexada a un lado de la fundición por medio de un pequeño canal. Una mazarota superior se conecta en la parte superior de la superficie de la fundición. Las mazarotas pueden ser abiertas o sumergidas. Una mazarota abierta está expuesta al exterior en la superficie superior de la tapa, pero tiene la desventaja de permitir que escape más calor, promoviendo una solidificación más rápida. Una mazarota sumergida está completamente encerrada dentro del molde.

Contracción Líquida:

En orden descendente de temperatura, el primer tramo de laSecuencia de solidificación corresponde a la contracción en el líquido. En general, sus efectos sobre la formación y sobre las características de cualquier pieza fundida dependen de la cantidad de calor que es extraído de la pieza. Si la intensidad es baja, cuantitativamente el cambio de volumen puede calcularse mediante la expresión:

Si la intensidad de extracción de calor es muy intensa, la contracción proveniente del líquido juega un rol muy importante en la solidificación, debido a que sobre la superficie del sólido se forma una capa de sólido mucho antes de que se extraiga todo el calor de sobrecalentamiento y esa capa crea una especie de coraza; entonces, cuando se produce la posterior reducción de volumen del metal líquido genera un mayor volumen de cavidades de rechupe y de porosidad.

Contracción de Solidificación:

Corresponde a la contracción volumétrica asociada a la transformación de fase, que ocurre entre las temperaturas del liquidus y del solidus. Es muy importante, porque es en esta etapa del proceso donde se produce el rechupe. Esta contracción de solidificación en gran parte depende del rango de temperaturas de solidificación, para una aleación binaria; depende también del modo cómo se hace solidificar el metal o la aleación, ya que como resultado del cambio de volumen entre las fases líquida y sólida, se forma una cavidad de rechupe en la pieza fundida, y que cuando no se le controla, produce los defectos conocidos como esfuerzos de fase. Para metales puros y aleaciones eutécticas, las variaciones de volumen al solidificar aparecerá principalmente como cavidades concentradas de rechupe, situadas en los puntos

más calientes de la pieza solidificada o en las zonas de la pieza que presentan mayor módulo de enfriamiento. En aleaciones que al solidificar lo hacen en un rango de temperaturas, el volumen de la cavidad concentrada de rechupe es menor, debido a la formación de micro-rechupes dispersos; cuyo volumen para aleaciones con un amplio rango de solidificación será igual al volumen de cavidad de rechupe concentrado. El diseñador en fundición, mediante el adecuado uso de las mazarotas, toma precauciones para compensar esos dos primeros cambios volumétricos y así evitar la formación de rechupes dentro de la pieza.

Procedimiento Experimental

En esta práctica se estudiará básicamente como afecta la configuración con respecto a la ubicación del sistema de colada y la mazarota, y el sistema de colada y los enfriadores al momento de realizar la colada y un defecto especifico que se produce durante la misma, como lo es el rechupe externo, que se presenta de forma más pronunciada en metales puros; por ello se utilizó como metal fundido aluminio con alto grado de pureza. Para ello se realizaron 8 experimentos variando la configuración del molde, siguiendo el siguiente procedimiento:

Para el estudio de la fluidez:

Se fabrican tres moldes de arena con la utilización de un modelo en forma de dos paralelepípedos unidos por una cara, donde uno es de mayor masa que el otro.

Se coloca el modelo sobre una superficie plana y sobre ella una caja de moldeo. Aplicando el proceso muy bien conocido de moldeo manual, y colocando los sistemas de alimentación y colada donde correspondía, según la configuración asignada al mesón de trabajo.

Listo los moldes (por moldeo típico), se realiza la colada de cada una de las piezas; previamente a la colada se realizó la desgasificación del aluminio líquido con

nitrógeno gaseoso a un caudal de 10ft3

h y a una temperatura de 681°C

Se observan los rechupes presentados en cada una de las 8 piezas, se presta especial atención a su ubicación y tamaño para realizar comparaciones entre ellas y así determinar los efectos causados por cada configuración.

Se realizan las mediciones del modelo con la ayuda de un vernier.

RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

CONFIGURACIÓN FOTOGRAFÍA

1. Colada por la parte fina

2. Colada por la parte gruesa

3. Colada por la zona delgada y mazarota colocada por la parte

gruesa

4. Mazarota ubicada en la parte gruesa y colada por esa zona

5. Enfriador colocado en la zona delgada y colada por dicha parte

6. Enfriador colocado por la parte delgada y colada por la parte

gruesa

7. Enfriador ubicado en la parte gruesa y colada por la zona delgada

8. Enfriador en la parte gruesa y colada en la parte gruesa

Pieza # 1: El sistema de alimentación de esta pieza se colocó en la zona de menor volumen generando así un leve rechupe en la zona de agarre del tornillo que se encuentra en la zona de mayor módulo M2; El módulo de esta sección de la pieza es relativamente grande, por lo tanto va a hacer la última zona en solidificar por esta razón fue que se localizó el defecto en dicha área.

Pieza # 2: Esta pieza presenta un rechupe en la sección M2; el sistema de alimentación se coloca en dicha sector, cabe destacar que a pesar de que se ubicó en la zona de mayor módulo de la pieza, se presentó el rechupe en menor apreciación al compararlo con la pieza 1. Otro defecto a mencionar es la arena incrustada en la base del sistema de alimentación producto del mayor caudal.

Pieza # 3: En la pieza mostrada, el sistema de alimentación se ubica anexado a M1, con mazarota en M2. Se observa rechupe en la mazarota y en la copa de vaciado, pero el defecto en la pieza fue atenuado, indicando que la mazarota cumplió con su objetivo de

evitar los defectos en pieza. La presencia de arena incrustada se debe la mala calidad de esta.

Pieza # 4: A la pieza mostrada no se le aprecia rechupe, mas se observa este defecto en la copa de vaciado y en la mazarota, y en menor magnitud con respecto a la pieza 3. Esto se debe a la colocación del sistema de alimentación que está en la sección de mayor módulo.

Pieza # 5: El arreglo se caracterizaba por poseer el elemento enfriador, cerca de la cavidad donde se introducía el metal líquido (alimentación) y estaba en contacto con una zona de menor volumen y menor sección transversal. Debido a la posición del enfriador cerca de la alimentación en el molde, la velocidad de enfriamiento en esta zona era mayor, en consecuencia se facilitaba la rápida solidificación del metal líquido que se vaciaba, impidiendo así que el metal fundido llenara las cavidades del molde. A su vez dicho enfriador estaba húmedo y en contacto con la zona de la pieza, que poseía menor sección transversal, en consecuencia al producirse una mayor transferencia de calor y cantidad de gases, por lo que en esta zona, se facilitaba la solidificación del metal, lo que impediría el posterior paso de metal fundido, para poder llenar todas las cavidades del molde y permitiría la formación de sopladuras en la pieza y falta de llenado del molde.

Pieza # 6: Para el moldeo de la pieza 6, se colocó el enfriador en la sección M1, pero el sistema de alimentación en el sector M2. Se observa un rechupe en la zona de mayor módulo de la pieza, específicamente en la entrada del metal líquido a la pieza.

Pieza # 7: Variando el lugar del enfriador y siendo puesto este en M2; se coloca el sistema de alimentación en la zona con menor relación área volumen de la pieza. Con esta variación en el moldeo de la pieza, se aprecia un rechupe en M2 en su parte central, su socavamiento no es muy pronunciado y se ve de forma gradual. Esto es causado por ser la última zona en enfriarse, aunque se tenga el enfriador para ayudar a la solidificación.

Pieza # 8: Para la pieza 8, llama la atención la atenuación total de todo rechupe en la pieza. El rechupe está localizado en la copa de vaciado, y este es causado por ser la última zona en solidificar. El enfriador cumple su propósito, el cual es acelerar la solidificación del sector de la pieza con módulo más grande para así evitar la formación de rechupes; dando una pieza bastante sana.

CONCLUSIÓN

Los defectos como los rechupes, sopladuras, y otros se pueden minimizar con la acción de dispositivos como mazarotas y enfriadores. Con la posición adecuada de estos módulos se logra evitar la aparición de estas fallas en la pieza y en algunos casos trasladarlos (la acción de la mazarota sobre el rechupe es trasladarlo a una zona de mayor modulo de enfriamiento).

Para minimizar la aparición de rechupes en la pieza colada, es conveniente colocar una o varias mazarotas en los sectores de la pieza que tengan mayor relación volumen área. La mazarota, con mayor módulo, solidificara de último y trasladara el rechupe a esta. Para evitar micro-rechupes y agrietamientos es aconsejable tratar de evitar esquinas bruscas del modelo.

Los enfriadores modifican el módulo del sector donde se coloquen. Esto provoca que el metal líquido en contacto con el dispositivo, descienda la temperatura y solidifique más rápido de lo usual. Lo más aconsejable para evitar defectos con el enfriador, es colocar este en las zonas con mayor modulo de enfriamiento y colocar el sistema de alimentación anexado a esta zona; todo esto se realiza para obtener una pieza con buena calidad.