Predicción del tiempo de solidificación

1. 1
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 líquido
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
Crecimiento dendrítico
Los granos restantes son
aplastados. El crecimiento
es desde las paredes hacia
el centro.

2. 2
Proceso de enfriamiento en
una aleación
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.
tiempo
temperatura
Tp
Tm
1t∆
Tp = Temperatura de derrame
Tm = Temperatura de solidificación
Curva de enfriamiento para un
metal puro
tiempo
temperatura
Tp
Tm
1t∆
2t∆
1t∆ = tiempo para bajar a Tm
2t∆
= tiempo de solidificación
local (TST en la Regla de
Chvorinov)
Curva de enfriamiento para un
metal puro Regla de Chvorinov
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)
n
ms
A
V
Ct 




=
dónde:

3. 3
Quizz/10/sp
15p
4p
6p gh2v =
V=8.97pie/seg
Ejemplo de diseño de “risers”
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.
Datos:
2”
3”
8”
Los “risers” evitan que la pieza sufra
el problema de cavidad por
encogimiento
Separado de la pieza
Sobre la pieza
El cómputo del área de superficie del “riser”
y la pieza depende de la posición del “riser”:

4. 4
Análisis
n
pieza
mpiezas
A
V
Ct 




=
n
riser
mrisers
A
V
Ct 




=
tsriser = 1.5 tspieza
n
pieza
m
n
riser
m
A
V
C.
A
V
C 





=





51
n
pieza
n
riser A
V
.
A
V






=





51
pieza
n
riser A
V
.
A
V






=





51
Análisis: cómputos
relacionados con la pieza
2”
3”
8”= 48 pulg3832 ⋅⋅=V
( )322 ⋅⋅=A ( )822 ⋅⋅+ ( )832 ⋅⋅+ = 92 pulg2
lgpu.
A
V
pieza
52170
92
48
==
Análisis: Cómputos
relacionados con el “riser”
Identificar las variables
D
H
4
2
HD
V
π
=
Derivar ecuaciones
2
4
DA
π
= 2∗ DHπ+
DHD
HD
A
V
π
π
π
+








=
2
2
2
4






+
=
H
D
DH
2
4 ( )HD
DH
42 +
=
riser separado de
la pieza
( )HD
DH
A
V
riser 42 +
=





D
H
Tenemos dos variables y
una ecuación
pieza
n
riser A
V
.
A
V






=





51
lgpu.
A
V
pieza
52170=





( )
5217051
42
..
HD
DH n
∗=
+

5. 5
Conversión
HrD ∗=
( )HD
DH
H
H
421
1
+







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:





 +





 ∗
=
H
H
H
D
H
H
D
42
r
r
( )
( )42 +
∗
=
r
Hr
( )HD
DH
A
V
riser 42 +
=





D
H
Tenemos dos variables y
pieza
n
riser A
V
.
A
V





=




 51
lgpu.
A
V
pieza
52170=





DH n
∗=
( )
5217051
42
..
r
Hr n ∗=
+
∗
Tomando n=2 (valor típico):
( )
63890
42
.
r
Hr
=
+
∗
Para resolver el problema
podemos presumir un valor
para r y despejar por H.
Digamos que r = 0.75,
entonces:
( )
63890
451
750
.
.
H.
=
+
∗
63890
750
55
.
.
.
H 





=
H=4.685 pulg
lgpu...HrD 51436854750 =∗=∗=
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.
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.

6. 6
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.
INME 4055
La Tabla 7-2, página 196 consiste
de las propiedades de algunos
materiales para fundición.
Agenda
Objetivos
Introducción
Flujo de fluido y transferencia de calor
Procesos de fundición para materiales
metálicos
Guías para el diseño de moldes
INME 4055
Actividades durante el proceso
de fundición de metales

7. 7
Control y corrección
de la composición
Producción del
molde
Derretir material
Especificaciones
del componente
Materia prima
Vertir material
derretido
Solidificación
Remoción del molde
Limpieza,
inspección
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.
Un esquema alterno los clasifica en
base al propósito del fundido
Fundición de lingotes
n Se preparan piezas para trabajarlas luego
mediante otros procesos.
n Alrededor del 85% se procesa de esta forma.
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.
Comparación de los tipos de
moldes
flexible
económico
sencillo
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
Desechable Permanente
-
+

8. 8
Etapas en el diseño de moldes
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.
Otros elementos relacionados
con el molde
patrón
Modelo que se
utiliza para producir
un molde
Debe proveer para el
encogimiento.
Procesos de moldes
desechables
moldes de arena tradicionales
moldes acorazados
moldes con patrones desechables
moldeo por inversión (“investment
casting”)
Pasos en la producción de
moldes de arena
Fabricar
“core”
Fabricar
molde
Fabricar
patrón
Preparar
arena
Derretir
metal
Llenar
molde
Solidificación
y enfriamiento
Remoción
del molde
Limpieza e
inspección
ArenaMetal